Bilancia con Cella Strain gauge o a compensazione elettromagnetica ?

QUALE TIPO DI BILANCIA SCEGLIERE ?
CELLA DI CARICO STRAIN GAUGE, O A COMPENSAZIONE ELETTROMAGNETICA ?

Quando si deve scegliere una bilancia tecnica o analitica da laboratorio, il vasto mercato delle bilance di precisione, propone diverse soluzioni, con prezzi molto differenti e sopratutto con diverse tecnologie di pesatura.
I vari costruttori non sono sempre chiari nei loro datasheet, e spesso non dichiarano il tipo di cella utilizzata nella bilancia.
Le moderne bilance elettroniche, sono dotate di celle di misura sulle quali è vincolato il piatto di pesata, che determinano con precisione il valore della pesata, e salvo rari casi, sono fondamentalmente di due tipi :

1. Celle a compensazione elettromagnetica
2. Cella di carico o cella “strain gauge”

Le CELLE A COMPENSAZIONE ELETTROMAGNETICA, dette anche a “Pozzetto” hanno una eccellente ripetibilità, una buona stabilità di pesata e riescono ad avere risoluzioni anche molto elevate.

In breve, il principio di funzionamento, si basa su un preciso “parallelogramma” che demoltiplica il peso meccanicamente e lo compensa con un elettromagnete immerso in un campo magnetico. Un sensore ottico di “zero” rileva un movimento dovuto ad un peso appoggiato su un piatto, e lo riporta allo stato precedente di “zero” attraverso una corrente che genera il campo magnetico di compensazione. La corrente viene letta centinaia di volte al secondo da un microprocessore, che la interpreta e la trasforma in un valore di peso sul display.

Ogni costruttore di celle a compensazione elettromagnetica usa una sua tecnologia costruttiva. Le prime celle con questa tecnologia venivano assemblate manualmente, come la cella convenzionale Mettler Toledo in fig. 1 .
Per le nuove bilance da laboratorio, Mettler Toledo utilizza un monoblocco di materiale amagnetico, “tagliato” con processo di elettroerosione, che diminuisce di molto l’assemblaggio manuale e riduce i costi produttivi.
Sartorius invece costruisce le sue bilance con celle “monolita” partendo da un blocco di alluminio areonautico, fresato e tornito da sofisitcati macchinari a controllo numerico, che producono in automatico tutta la parte meccanica. Con queste nuove tecnologie, si deve “solamente” assemblare a queste parti meccaniche, il sensore ottico, il magnete al neodimio e  l’elettromagnete, quindi eseguire i cicli di test, di calibrazione e collaudo generale.
Con questa tecnologia, una bilancia da laboratorio può arrivare ad avere anche 20 milioni di divisioni (es.: bilancia analitica 200g con risoluzione alla 5^ decimale di 0,00001g).

Il principio di funzionamento di una cella a compensazione elettromagnetica, consiste in uno speciale sistema di leveraggi che demoltiplica il peso che viene messo sul piatto di pesata e permette ad una forza uguale e contraria di compensare il peso stesso con una forza elettromagnetica generata da una bobina immersa in una campo magnetico.

In assenza di peso sul piatto abbiamo una condizione di “equilibrio” o di compensazione di zero che, attraverso un sistema ottico emittente e ricevente compensa elettromagneticamente il peso del piatto e della sua struttura. Quando viene applicato un peso, attraverso il sensore ottico viene rilevato un disequilibrio del sistema di pesatura che, attraverso la compensazione elettromagnetica riporterà il sistema nuovamente nella condizione di equilibrio. Maggiore sarà il peso sul piatto e maggiore sarà la corrente necessaria al riequilibrio del sistema di pesata. La corrente necessaria alla nuova condizione di equilibrio, attraverso un convertitore Analogico/Digitale, viene elaborata e trasmessa al display della bilancia.

In questo modo abbiamo sempre un perfetto parallelogramma della bilancia che non avendo deformazioni meccanici può avere risoluzioni molto alte ed eccellente ripetibilità.

Le CELLE DI CARICO o STRAIN GAUGE, dette anche estensimetri, hanno una tecnologia completamente diversa.
Il principio di funzionamento, si basa sulla deformazione di un blocco di alluminio opportunamente costruito. Nei giunti sensibili dove avviene questo “allungamento” viene incollata una resistenza molto piccola chiamata anche “francobollo”

Fig. 2 – Resistenza di una cella Strain Gauge

Questa resistenza ha un micro conduttore molto “fitto” per aumentare la lunghezza che è la parte sensibile della cella di carico. Questa resistenza seguirà la piccolissima deformazione del blocco di alluminio e, variando la sua lunghezza, varierà il suo valore resistivo in Ohm. Trattandosi di variazioni di piccole entità si dovranno misurare attraverso il ponte di Wheatstone (per chi ha ricordi di elettrotecnica si riescono a misurare anche piccoli valori resisitivi dovuti allo sbilanciamento del ponte) :

Fig. 3 – Ponte di Wheatstone per il collegamento della resistenza strain gauge

Alcune celle di carico di maggior precisione, hanno più “francobolli” sui vari punti sensibili dell’estensimetro, e anche sensori di temperatura per migliorare le performance di pesata. Ovviamente basandosi sull’estensione di un metallo, oltre una certa precisione è difficile arrivare, in quanto si fanno sempre i conti con un metallo che si estende e deve ritornare alla sua posizione originaria. Comunemente, per le bilance da laboratorio fino a 30.000 divisioni, si riesce ad avere un valore di pesata ripetibile e con una discreta precisione, mentre nel processo le bilance industriali sono nella maggior parte dei casi con celle a Strain Gauge.

Quindi, se devo acquistare una bilancia da laboratorio, quale cella devo scegliere per la mia bilancia ?

Innanzi tutto, si deve partire dalle caratteritiche di precisione richieste e dalla portata della bilancia.
Per esempio, se si deve acquistare una bilancia tecnica da laboratorio con risoluzione di 0,1 g e portata di 3 kg, dovremo cercare una bilancia da 30.000 divisioni, cioè una bilancia che sia in grado di “dividere” 3.000 g in 30.000 parti. Il calcolo è semplice : alla portata della bilancia si aggiungono le cifre dopo la virgola, per esempio una bilancia da 300g con risoluzione 0,001g, avrà alla sua portata massima 300,000g, cioè 300.000 divisioni (div).

Come consiglio, mi sento di raccomandare l’utilizzo delle bilance con celle di carico STRAIN GAUGE quando è richiesta una media/bassa risoluzione, fino ad un massimo di 30.000 divisioni (in taluni casi alcune bilance con 60.000 divisioni hanno dato dei buoni risultati), in quanto sono molto più economiche e sono eccellenti per pesate di routine. Diversamente quando è richiesta una alta risoluzione è sempre meglio utilizzare bilance con celle a compensazione elettromagnetica, per la grande ripetibilità dei risultati e l’eccellente stabilità di pesata, considerando che le bilance analitiche essendo tutte ad alta risoluzione, sono dotate di cella a compensazione elettromagnetica.

Autore : Guido Gedda