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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