Come funzionano i sistemi di pesatura?

Tutti i sistemi di pesatura, e in particolare i sistemi di pesatura industriale trattati da Celmi, sono accomunati da una serie di elementi costitutivi ben precisi. In questo articolo approfondiremo la struttura dei sistemi di pesatura, delle celle di carico e il funzionamento di ogni componente.

I componenti base di ogni sistema di pesatura possono essere riassunti in tre elementi fondamentali: celle di carico, unità elettronica e apparecchiatura di automazione. Vediamoli nel dettaglio.

LE CELLE DI CARICO hanno un funzionamento ben preciso: essendo dei trasduttori, il loro ruolo è quello di rilevare una forza applicata su un oggetto, attraverso la misurazione di un segnale elettrico che muta in base alla deformazione che questa forza produce sull’oggetto stesso.
Quindi possiamo semplificare affermando che le celle di carico trasformano il peso misurato in un segnale elettrico, che di solito è a basso livello (- mV c.c.). Le celle di carico possono essere di diverse tipologie, tuttavia le più utilizzate sono le celle di carico a estensimetri elettrici. Di diverse forme e dimensioni in base alle necessità, le celle di carico sono solitamente impiegate in numeri da 1 a 4 anche se, in casi specifici, il loro numero può arrivare anche a 8 o più.

L’UNITà ELETTRONICA ha lo scopo di alimentare le celle di carico e di trasformare la tensione generata dalle celle in un segnale standard o in un’informazione numerica di tipo informatico. A seconda delle necessità, l’unità elettronica può essere costituita da un normale trasmettitore cieco per montaggio a campo oppure da un indicatore di peso dotato di alcune funzioni di automazione, come il dosaggio o allarmi di vario tipo, dedicate esclusivamente al singolo loop di pesatura. Nel caso in cui, per particolari esigenze, l’unità elettronica dovesse essere posta a una distanza maggiore rispetto alla lunghezza del cavo cella, è previsto l’uso di una cassetta di giunzione al fine di collegare in parallelo le celle di carico e per il collegamento al cavo di estensione.

L'APPARECCHIATURA DI AUTOMAZIONE dei sistemi di pesatura industriale, infine, è costituita da un PC o da un PLC e svolge la funzione, come già ben definisce il nome, di integrazione di elementi di automazione del processo di pesatura che dovessero essere richieste dal processo produttivo quali: dosaggi, regolazioni, avvio e stop macchine, notifiche e allarmi e molto altro.

COLLEGAMENTI DELLE CELLE DI CARICO

Approfondendo l’argomento, vediamo ora cosa comporta collegare in parallelo delle celle di carico a estensimetri elettrici. Concretamente, il risultato di collegare più celle di carico si traduce nella costituzione di un’unica cella di carico le cui caratteristiche sono definite dalle qualità delle celle costitutive. In altre parole, la portata nominale della totalità delle celle di carico collegate è uguale alla somma di quella di ogni cella mentre la sensibilità corrisponde alla sensibilità di ogni cella costitutiva. Importante ricordare che, affinché il sistema risulti funzionale, tutte le celle devono avere la medesima sensibilità e la medesima portata e il segnale di uscita deve essere posizionato rigorosamente al centro dell’alimentazione.
Esistono due principali soluzioni per il collegamento delle celle all’unità elettronica: collegamento a quattro fili e collegamento a sei fili. Entrambe le configurazioni hanno pregi e difetti che approfondiremo di seguito.

1. Collegamento a quattro fili

Il collegamento a quattro fili delle celle di carico è il più economico dal punto di vista del costo del cavo di estensione e garantisce una minore incisione dei disturbi sulla linea. Le misurazioni, tuttavia, possono incappare in errori causati dalla variazione della temperatura ambientale.

2. Collegamento a sei fili

Il vantaggio principale del collegamento a sei fili per le celle di carico è l’assenza di errori dovuti alla variazione della temperatura ambientale. Tuttavia, a causa dell’introduzione dei conduttori di sensing, aumenta il rischio di disturbi e il costo risulta incrementato a causa della lunghezza maggiore del cavo di estensione.

Nel collegamento a 4 fili compaiono errori dovuti alla variazione della temperatura ambientale, che a sua volta genera cambiamenti della resistenza del cavo di alimentazione alle celle e quindi della tensione di alimentazione. L’errore è ricavabile attraverso la seguente equazione:

ERR = 0,01491 Tv * Lc / (Rp * Sc)

Dove:
• Err: errore di misura (% peso lordo misurato)
• Tv: variazione della temperatura ambientale rispetto alla temperatura di taratura (°C)
• Lc: lunghezza del cavo di estensione (m)
• Rp: Resistenza totale celle in parallelo (1/ (1/Rp1 + 1/Rp2 + ....1/Rpn) (ohm)
• Sc: sezione dei conduttori di alimentazione (mm2)

TARATURA ANGOLI
In caso di necessità di misure ad altissima precisione, potrebbe rendersi necessaria un’azione di annullamento delle differenze di misura agli angoli della piattaforma causate, generalmente, dalle differenze della sensibilità nominale delle celle di carico e dalle differenze di montaggio meccanico.

Le azioni da intraprendere, in tal caso, riguardano l’installazione di trimmer in serie all’alimentazione o in parallelo al segnale. Nel dettaglio:

• Trimmer in serie all’alimentazione
Produce interazioni tra zero e campo e sposta il livello del segnale provocando circolazione di correnti tra le celle con seguente leggera non linearità;
• Trimmer in parallelo al segnale
riduce il segnale massimo disponibile e determina una leggera non linearità.

È importante specificare che i trimmer da impiegare devono avere il minimo coefficiente di temperatura possibile. In alternativa, è possibile impiegare delle resistenze a filo (da tagliare o grattare) dotate di un bassissimo coefficiente di temperatura ma poco convenienti dato il costo che potrebbe rendere la taratura degli angoli esageratamente onerosa.

COLLEGAMENTI DELL'UNITà ELETTRONICA

In conclusione, esamineremo gli schemi di collegamento dell’unità elettronica fondamentali che si sono sviluppati nel corso degli anni grazie all’innovazione tecnologica e attualmente impiegati in diversi sistemi di pesatura industriale. Possiamo operare una suddivisione generale come segue:

• Schema Anni ‘70
Nato come sistema semplice a basso costo per indicazioni o allarmi standard standard, genera un segnale in mA richiedendo un semplice cavo con coppia schermata facilmente reperibile sul mercato. Ne esiste una versione con segnale in frequenza, di norma utilizzata per sistemi di pesatura complessi di tipo digitale convenzionale ma non ha mai avuto un’ampia diffusione sul mercato.

• Schema Anni ’80 – ‘90
Con questa evoluzione il sistema di pesatura entra di diritto nell’ambito della strumentazione industriale e nello sviluppo di sistemistica integrata con i sistemi di automazione generale e di supervisione di impianto. Alcune tipologie di questi sistemi di pesatura industriale permettono la taratura degli angoli senza ricorrere ai trimmer o alle resistenze a filo grazie alla misurazione del valore di ogni singola cella.

• Schema Classico
Si tratta del sistema più utilizzato in caso di loop di pesatura singoli, noto anche come “una cella, uno strumento”. Rischia di diventare molto costoso in caso di lunghe distanze poiché il cavo di estensione deve percorrere una traccia ben separata dai cavi di potenza o di altro genere per evitare possibili casi di disturbo elettromagnetico. A incidere ulteriormente sui costi anche le diverse schermature applicate sul cavo per scongiurare qualsiasi errore dovuto a disturbi esterni, che si tratti di collegamento a quattro o sei fili.

• Schema Futuro
Nonostante il nome, questa tipologia di schema viene già oggi impiegato in alcuni sistemi di pesatura industriale ma non è ancora diffuso su larga scala. Con lo sviluppo e la conseguente riduzione delle dimensioni dei circuiti integrati è diventato possibile dotare le celle di carico dei circuiti di conversione del segnale e di trasmissione seriale. Grazie a tali integrazioni, le celle di carico entrano a far parte di una rete informatica che sarà possibile collegare sia alle classiche unità elettroniche, sia a grandi sistemi di automazione e supervisione, sia a Internet.

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