Como funcionam as balanças digitais

Há algo tão comum em um dispositivo de pesagem que é fácil esquecer seu significado mais profundo. Como a balança de mola ligeiramente inclinada pendurada ao redor do corredor de produtos nos lembra, a balança serviu há muito tempo aos humanos como o árbitro principal do comércio, a condição sine qua non do transporte e o jogador utilitário da bancada farmacêutica. Da menor e mais afinada balança de laboratório aos monstros de 3 por 37 metros que pesam vagões de trem e reboques de trator, as balanças tornam a vida moderna possível.

Balanças - ou, mais especificamente, balanças - pesavam muito nas mentes dos antigos construtores, inventores e consultores econômicos. Pequenos pesos de balanço que datam do início do quarto milênio aC fornecem alguns dos primeiros indícios da evolução da compreensão dos números pela humanidade. A balança de equilíbrio sobrevivente mais básica no Egito é anterior ao período dinástico, situando sua construção antes de 3.000 aC Como nós, os antigos egípcios aplicavam balanças tanto no comércio quanto na análise de minérios e ligas [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Petrus ].

Balanças, que pesam um objeto comparando-o com um ou mais pesos de referência, têm um toque delicado e ainda são usadas em laboratórios. As balanças usam princípios físicos e componentes mecânicos um pouco diferentes para medir o peso e outras forças (o peso é simplesmente a força em um objeto devido à gravidade). Balanças de mola, por exemplo, medem o peso usando a lei de Hooke , que relaciona a força (peso) ao alongamento ou compressão de uma mola feita de um determinado material.

Nem todas as balanças usam molas, mas todas medem o peso usando componentes mecânicos. Assim, as balanças mecânicas e digitais diferem apenas na forma como exibem o peso - mecanicamente ou eletronicamente. Neste último caso, a balança emprega um conversor analógico-digital que traduz os dados de leitura contínua da balança em informações digitais discretas, da mesma forma que um esquema de codificação de CD ou MP3 digitaliza as formas de onda da música.

De um modo geral, as balanças digitais exigem menos experiência para usar do que aquelas com leituras mecânicas e são capazes de maior precisão e processamento mais rápido. Ainda assim, as capacidades de dispositivos específicos podem variar, principalmente quando os pesos são medidos em toneladas [fontes: Camarda ; Cox ; Crowley ].

"Depende", diz Derrick Mashaney, diretor de desenvolvimento de produtos da Fairbanks Scales Inc., especializada em grandes escalas industriais. "Várias escalas mestras são mecânicas. Elas são ajustadas para serem tão extremamente precisas que não há nada que se compare a elas."

Assim como um macaco de beira de estrada pode levantar um carro por meio de vantagem mecânica - a alavancagem de uma alça ou o plano inclinado de um parafuso - enquanto a talha de um mecânico pode usar pressão hidráulica, diferentes balanças pesam objetos usando uma variedade de princípios operacionais, como a hidráulica , pneumática ou vigas de flexão.

O que quer que os faça esticar, comprimir ou balançar, no entanto, a maioria das balanças modernas compartilha um componente em comum: uma célula de carga.

1. Vire e enfrente a tensão (Ga-ga-gauges)
2. Você vai carregar esse peso
3. Economias de Escala(s)

As balanças vêm em todas as formas, tamanhos e configurações, mas o componente básico que faz a medição é quase sempre uma célula de carga .

Uma célula de carga é uma espécie de transdutor , um dispositivo que converte uma forma de energia em outra. Por meio de células de carga, as balanças digitais transformam a energia mecânica - a suavização ou alongamento causado por uma carga parada ou suspensa - em um efeito elétrico. O strain gauge amplamente utilizado (você também o verá como strain gage), por exemplo, lê compressão ou tensão como pequenas mudanças na resistência elétrica em uma ponte de Wheatstone [fontes: Mashaney ; Ômega ].

Vamos dividir isso usando um medidor de tensão de compressão como exemplo.

A compressão ocorre quando uma força aplicada reduz o volume de um objeto, mas também pode se referir a uma diminuição mais geral no tamanho ao longo de uma ou mais dimensões. Acontece que esmagar um material eletricamente condutor altera sua resistência elétrica, porque fios mais longos e estreitos são mais resistentes do que os mais curtos e mais largos [fonte: Craig ]. Pense nisso como a água passando por um cano: quanto mais longo e estreito o cano, mais difícil é forçar a água a passar por ele.

Vários materiais experimentam diferentes mudanças de resistência sob deformação, uma qualidade conhecida como fator de calibre . O fator de medição também pode alterar em resposta à temperatura. Consequentemente, a liga constantan (55% de cobre e 45% de níquel), que funciona bem à temperatura ambiente, estabeleceu-se como o material de referência para medições de deformação [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Craig ; Instrumentos Nacionais ; Prat ].

Para detectar a mudança na resistência causada pela compressão do peso, um ou mais medidores de tensão são colocados dentro de uma ponte de Wheatstone . Uma ponte de Wheatstone é um circuito elétrico que pode detectar uma resistência elétrica desconhecida equilibrando-a contra resistências conhecidas em outras partes do circuito. De certa forma, é como uma balança para resistência elétrica: o "peso" (resistência) de um lado indica o "peso" desconhecido (resistência) do outro [fontes: Craig ; Instrumentos Nacionais ; Prat ].

Uma determinada ponte pode conter 1-4 strain gages. Quando vários medidores são usados, eles são organizados em direções opostas para melhorar a sensibilidade e mitigar os efeitos da temperatura. Como a mudança de resistência em um circuito de tensão pode ser minúscula, o sinal geralmente requer amplificação [fontes: Craig ; Instrumentos Nacionais ; Prat ].

À medida que uma célula de carga mede a mudança de resistência à compressão, ela transmite um sinal para a CPU, que o converte em entrada para uma placa de exibição, que mostra o resultado em uma tela digital. Este princípio permanece verdadeiro se você usar um medidor de tensão ou algum outro tipo de dispositivo de medição.

Nós fornecemos... Alavancagem

As alavancas são úteis para pesar objetos grandes porque a alavancagem converte grandes forças em pequenas. Em algumas balanças de caminhão grandes, como as balanças de poço fabricadas pela Fairbanks, cada incremento de peso de 400 libras (181 kg) em uma parte da alavanca se converte em apenas 1 libra (0,45 kg) na outra. Assim, a célula de carga precisa ser capaz de medir apenas uma fração do peso total, e as balanças podem suportar facilmente entre 50.000 e 100.000 libras (22.679 e 45.359 kg) [fonte: Mashaney ].

A pesquisa, a indústria e o comércio exigem a capacidade de medir pesos sob uma variedade aparentemente ilimitada de condições ambientais e restrições de espaço, além de controlar possíveis erros. Assim, embora os strain gages sejam o tipo de célula de carga mais amplamente utilizado, eles estão longe de ser o único projeto em uso atualmente [fontes: Eilersen ; Ômega ].

As indústrias que exigem maior segurança e esterilidade muitas vezes recorrem às células de carga pneumáticas , que derivam o peso de um objeto medindo a pressão do ar necessária para equilibrá-lo. Esses sopradores funcionam bem na indústria de alimentos ou em locais perigosos porque não contêm fluidos que podem vazar, pingar ou jorrar no meio ambiente. As células pneumáticas podem levantar uma ampla variedade de pesos com alta precisão, mas exigem uma atmosfera limpa e seca e tendem a demorar um pouco para responder [fonte: Omega ].

Células de carga hidráulicas , que medem a carga como uma mudança na pressão do fluido, são comumente encontradas em tanques de pesagem, silos e tremonhas. Como funcionam sem eletricidade, as células hidráulicas funcionam bem em locais remotos, onde a energia é uma perspectiva duvidosa. Caros e complicados, mas robustos, esses dispositivos cheios de fluido não sinalizam ou falham, mesmo sob cargas de milhões de libras [fontes: Eilersen ; Ômega ; Takhirov et ai. ].

Os termos "strain gauge", "pneumático" e "hidráulico" descrevem os princípios operacionais - essencialmente, as leis físicas que governam cada técnica de pesagem. Mas um comprador que procura uma balança também pode considerar o tamanho, a forma, a configuração, os materiais e outros aspectos físicos de uma célula com base nos requisitos de trabalho envolvidos. Por exemplo, um cliente que precisa fazer medições em um ambiente úmido pode escolher uma célula de lata hermeticamente selada , enquanto uma instalação preocupada com questões de folga pode optar por uma célula de viga de dobra mais fina [fontes: Mashaney ; Ômega ].

Os fatores de forma também são escolhidos por sua capacidade de minimizar os efeitos de forças externas. As balanças normalmente medem a força ao longo de uma única direção chamada eixo principal - que, no caso do peso, significa para baixo (na direção da atração gravitacional). Erros de pesagem surgem principalmente de forças fora do eixo , que atuam paralelamente à carga, e de cargas laterais , que atuam perpendicularmente a ela [fonte: Novatech ]. Graças ao seu design em ziguezague, as células de carga S-beam são excelentes na eliminação da carga lateral [fonte: Omega ].

Dentro de cada uma dessas categorias e subcategorias, existem tamanhos, formas e faixas de preço para atender a quase todas as necessidades imagináveis. Mas há mais nas balanças do que apenas pesar suas opções. Medir a força é tão cheio de problemas técnicos quanto qualquer medição de precisão - não importa, quando se considera que vidas humanas - e pilhas de dinheiro - podem depender da diferença de alguns gramas.

Todas as escalas grandes e pequenas

A lei de Hooke não serve apenas para pesar produtos; também está subjacente à operação de um dos menores dispositivos de medição de força do mundo: o microscópio de força atômica usado em bioquímica, biologia e engenharia de materiais. Esses microscópios usam um cantilever de silício ou nitreto de silício em escala mícron (um feixe semelhante a uma mola, apoiado em apenas um lado) para detectar rebocadores de nanonewtons e piconewtons - forças na escala de atrações intermoleculares [fontes: Cumpson et al. ; Cappella e Dietler ].

Um velho ditado diz que um homem com um relógio sabe que horas são, mas um homem com dois relógios nunca tem certeza. As balanças devem enfrentar um enigma semelhante: se você pesa o mesmo objeto duas vezes, obtém o mesmo resultado? Que tal em dias diferentes, sob condições climáticas variáveis? Em caso afirmativo, a escala pode permanecer consistente apesar do desgaste?

Esses fatores – respectivamente conhecidos como repetibilidade , reprodutibilidade e ajuste – são todos importantes, mas um possível comprador também deve considerar questões mais básicas, como a faixa de peso da balança , incluindo sua capacidade mínima e máxima [fonte: AWS ].

Então, novamente, essas estatísticas importam pouco se um dispositivo não tiver a precisão e a exatidão necessárias para o trabalho. Embora os dois termos sejam frequentemente mal utilizados como sinônimos, eles não são intercambiáveis: Precisão descreve o quão próximo um instrumento mede um valor real ou esperado, enquanto precisão refere-se a quão granular ou exata é essa medida. Uma pistola de velocidade que atinge uma bola rápida de 90,4213 mph a 90 mph é precisa, mas não precisa; uma arma de velocidade que cronometra a mesma bola rápida a 88,3246 mph é precisa, mas não precisa.

As escalas geralmente expressam a precisão como uma porcentagem da escala completa ( FS ) -- a faixa calibrada total que um dispositivo pode medir. Por exemplo, uma precisão FS de 1 por cento pode significar +/- 5 libras para uma escala de 500 libras, mas +/- 1 libra em uma escala de 100 libras. Alternativamente, o erro pode ser expresso como porcentagem da leitura real ( AR ): Para um objeto pesando 100 libras em tal balança, um AR de 2% significaria um erro de 2 libras, se a escala tivesse um alcance de 10 libras ou 10.000 [ fontes: AWS ; Busch ; Plint ].

A precisão de uma escala é igualmente variável. Por padrão industrial, independentemente da capacidade, as balanças são divididas em um máximo de 10.000 divisões: Portanto, uma balança de 10.000 libras será dividida em incrementos de uma libra, enquanto uma escala de 500.000 libras será dividida em incrementos de 50 libras [fontes: AWS ; Crowley ; Mashany ]. Os dispositivos de pesagem são agrupados em categorias com base nessas divisões (consulte a barra lateral).

Com isso em mente, sempre tente selecionar uma escala que tenha capacidade alta o suficiente para lidar com o que você está medindo, mas não muito maior. Isso garantirá que você obtenha a maior precisão possível, libra por libra.

Permanecer dentro da sua classe de peso

• As balanças classe I , comumente usadas em pesagem de laboratório de precisão, têm um mínimo de 50.000 divisões medindo 1 miligrama ou mais cada.
• Escalas de classe II , usadas para espécimes de laboratório ou pedras preciosas maiores, ostentam 100-100.000 divisões de 1-50 miligramas, ou 100 miligramas ou mais [fontes: AWS ; NIST ].
• Balanças comerciais de classe III pesam tudo, desde postagem até animais. Eles apresentam 100-10.000 divisões variando de incrementos de 0,1-2,0 gramas, ou incrementos de 5 gramas e maiores.
• Os dispositivos da classe IIIL consistem em balanças de veículos com 2.000-10.000 divisões de 2 ou mais quilogramas cada.
• Balanças classe IIII , usadas pela fiscalização de peso de rodovias para verificar cargas de rodas e eixos, têm 100-1.200 divisões de 5 gramas ou mais [fontes: AWS ; NIST ].

Nota do autor: como funcionam as balanças digitais

Uma das alegrias de escrever para .com vem do encontro com a surpreendente delicadeza, beleza e complexidade dos objetos do cotidiano. A engenharia hábil e as peças intrincadamente fresadas que entram nesses itens são, por si só, suficientes para inspirar qualquer tecnófilo. Olhe além dos acessórios e aparelhos para o coração de qualquer dispositivo - particularmente um usado para medição - e você encontrará algo ainda mais maravilhoso: uma lei física, engenhosamente atrelada a uma série de ferramentas específicas e úteis.

Em nenhum lugar isso é mais verdadeiro do que em escalas. Somente neste artigo, encontrei a lei de Hooke para molas; lei de Pascal para a pressão do fluido; Lei de Boyle, lei de Charles e lei de Gay-Lussac descrevendo o comportamento dos gases; e a lei de Ohm para resistência elétrica - e isso para não falar das várias leis sem nome que governam o estresse e a tensão.

Então, da próxima vez que você encontrar algum político que queira cortar a educação científica em nome do equilíbrio do orçamento, pode valer a pena refletir que nossos facilitadores fiscais mais duradouros, escalas, são possibilitados por uma marcha de séculos de descobertas científicas.

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