Célula de carga: o que é, como funciona, tipos, classe de exatidão e a célula da máquina de ensaio

Célula de carga é o sensor eletromecânico (transdutor de força) que converte força ou peso em sinal elétrico: a força deforma um corpo metálico, extensômetros (strain gauges) colados nele mudam de resistência e uma ponte de Wheatstone entrega uma tensão proporcional, tipicamente 2 mV por volt de excitação na capacidade nominal. Alimentada com 10 V, a célula entrega 20 mV na capacidade nominal e 12 mV a 60 % dela. É a célula que pesa na balança, mede o enchimento do silo e, na máquina universal de ensaios, registra a força em cada ponto da curva. Este artigo explica o princípio, os tipos, o datasheet e a ligação, e depois trata do que a busca comum não cobre: a célula da máquina de ensaio, a classe pela ABNT NBR ISO 7500-1, a faixa verificada e a escolha da capacidade.

Em resumo:

• Sinal: V = S · V_exc · F / F_nom, em que S é a sensibilidade em mV/V. Com 2 mV/V e 10 V, a capacidade nominal dá 20 mV.
• Tipos: escolhe-se pela direção da força, pela capacidade e pelo espaço: S para tração e compressão em linha, coluna para compressão alta, panqueca para pouca altura, single point e viga para pesagem.
• Na máquina de ensaio: a classe 1 da ABNT NBR ISO 7500-1 limita o erro a ±1 % da força indicada, mas só dentro da faixa verificada, que tem um limite inferior.

O que é célula de carga e para que serve

A célula de carga é um transdutor de força: recebe uma grandeza mecânica e devolve uma elétrica, proporcional a ela. Em inglês, o nome é load cell; no comércio, também aparece como sensor de peso ou sensor de força. A construção mais comum, que este artigo trata, tem duas partes. A primeira é o elemento elástico, um bloco de aço-liga, aço inoxidável ou alumínio usinado para que a força produza deformação mensurável num ponto escolhido. A segunda são os extensômetros de resistência (strain gauges), grades metálicas finas coladas exatamente nesse ponto, cuja resistência elétrica muda quando o metal sob elas se alonga ou encurta.

Existem células de outros princípios. A hidráulica mede a pressão de um fluido confinado sob um pistão e não tem parte elétrica, o que a favorece em área classificada; a pneumática equilibra a força com pressão de ar; a de corda vibrante lê a mudança de frequência de um fio tensionado; a piezoelétrica gera carga elétrica sob força e serve à medição dinâmica, porque o sinal decai quando a força fica constante. A extensométrica domina a indústria e o laboratório pela combinação de custo, exatidão e estabilidade, e é dela que o resto do artigo trata.

O elemento elástico trabalha sempre no regime elástico: a deformação some quando a força é retirada, como explica o artigo sobre deformação elástica. Nesse regime vale a Lei de Hooke, e a deformação no ponto dos extensômetros é proporcional à força. É essa proporcionalidade que torna o sinal da célula uma medida de força. O projeto do elemento fixa a deformação na capacidade nominal em cerca de 1.000 µm/m (0,1 %), longe do escoamento do metal, para que a célula volte ao zero depois de cada carga.

A função é sempre a mesma, medir força ou peso e entregar um sinal para um indicador, um CLP ou um software. O que muda é o lugar: balanças de bancada e rodoviárias, silos e tanques, dosadoras e envasadoras, pesagem embarcada em caminhões e máquinas agrícolas, limitadores de carga de guindastes e pontes rolantes, equipamentos médicos, prensas, bancadas de ensaio e máquinas universais de ensaio. Duas datas situam a tecnologia: a ponte usada na leitura foi divulgada por Charles Wheatstone em 1843, e o extensômetro de resistência colado foi criado em 1938, de forma independente, por Edward Simmons, no Caltech, e Arthur Ruge, no MIT.

Como funciona: extensômetro, ponte de Wheatstone e sinal em mV/V

Uma célula de carga funciona em três passos: a deformação muda a resistência do extensômetro, a ponte transforma essa mudança em tensão elétrica, e a tensão é lida por volt de alimentação. Cada passo tem uma conta simples, e juntas elas explicam o número que aparece em todo datasheet, o mV/V.

O extensômetro: ΔR/R = k · ε

Quando a grade metálica do extensômetro é esticada, os fios ficam mais longos e mais finos, e a resistência sobe; quando é comprimida, a resistência cai. A relação é linear: ΔR/R = k · ε, em que ε é a deformação (m/m) e k é o fator do extensômetro, adimensional, perto de 2 nas ligas metálicas usuais. Com ε = 1.000 µm/m e k = 2, a resistência varia 0,2 %. Num extensômetro de 350 Ω, isso é 0,7 Ω. Uma variação tão pequena não se mede bem com um ohmímetro comum, e é por isso que a célula usa uma ponte.

A ponte de Wheatstone completa

A ponte de Wheatstone tem quatro resistores ligados em losango. Dois vértices opostos recebem a tensão de alimentação, chamada de excitação (+EXC e −EXC); os outros dois são a saída (+SIG e −SIG). Com os quatro resistores iguais, a ponte fica equilibrada e a saída é zero. Na célula de carga, os quatro resistores são extensômetros ativos: dois ficam numa região tracionada e dois numa região comprimida, ligados de modo que os de mesmo sinal ocupem braços opostos. Assim os quatro efeitos se somam em vez de se cancelar, e a saída vale aproximadamente:

V_saída / V_exc ≈ k · ε

O esquema abaixo mostra o arranjo numa viga engastada, a geometria mais fácil de visualizar. A força na ponta livre traciona a face de cima, onde ficam R1 e R3, e comprime a face de baixo, onde ficam R2 e R4. Na ponte, R1 e R3 ocupam braços opostos, e R2 e R4 os outros dois; a conta embaixo mostra de onde sai o valor de 2 mV/V.

A ponte completa tem uma segunda vantagem, tão importante quanto a sensibilidade: a compensação de temperatura. Se a célula esquenta, os quatro extensômetros mudam de resistência na mesma proporção, e a ponte continua equilibrada. O que desequilibra a ponte é só a diferença entre braços, que vem da força. Resistores adicionais, ajustados na fábrica, corrigem o zero, a deriva térmica do zero e a da sensibilidade.

A ponte também diz o sentido da força. Quando a força passa de tração para compressão, os extensômetros tracionados passam a ser comprimidos e vice-versa, e a saída muda de polaridade: a mesma célula lê os dois sentidos, com sinal positivo num e negativo no outro. É isso que permite a uma célula em S ou panqueca medir tração e compressão na mesma montagem.

Por que o mercado fala em 2 mV/V

A sensibilidade de uma célula é a saída na capacidade nominal dividida pela tensão de excitação, em mV/V. Com k ≈ 2 e o elemento projetado para ε ≈ 1.000 µm/m na capacidade, a ponte dá k · ε = 2 × 0,001 = 0,002 V/V, ou 2 mV/V. É por isso que esse valor aparece em tantos datasheets, como o da célula em S HBM S9M. Em células de coluna, dois extensômetros ficam na direção da força e dois na transversal, onde a deformação é só a de Poisson (ν · ε); a saída cai para k · ε · (1 + ν) / 2, e o projeto compensa com mais deformação axial.

Como a saída é proporcional à excitação, o sinal numa força qualquer é V = S · V_exc · F / F_nom. A tabela mostra o sinal de uma célula de 2 mV/V com as duas excitações mais comuns. Ela deixa claro que a célula entrega poucos milivolts: a 10 % da capacidade, com 5 V, são 1,0 mV.

Força, em % da capacidade	Excitação de 5 V	Excitação de 10 V
10 %	1,0 mV	2,0 mV
20 %	2,0 mV	4,0 mV
60 %	6,0 mV	12,0 mV
100 %	10,0 mV	20,0 mV
150 % (carga limite típica)	15,0 mV	30,0 mV

Duas consequências práticas saem daí. Primeira, o sinal muda junto com a excitação: se a fonte varia 1 %, a leitura varia 1 %, e por isso a excitação precisa ser estável e, em cabos longos, medida na própria célula, como se verá na seção de ligação. Segunda, sinais de milivolts são sensíveis a ruído elétrico, o que torna obrigatórios o cabo blindado, o aterramento correto e um amplificador de boa qualidade.

Tipos de célula de carga

Os tipos de célula de carga diferem pela geometria do elemento elástico; o princípio elétrico é o mesmo em todos. Cada geometria concentra a deformação de um jeito e serve a uma direção de força, a uma faixa de capacidade e a um espaço de montagem. Na foto, três células de carga comuns: à esquerda, a célula em S, que trabalha em tração e compressão pelos furos roscados das pontas; no meio, a célula de compressão com botão abaulado, que recebe a carga no topo; à direita, a célula panqueca, fixada por parafusos na borda e carregada pelo furo central.

Os tipos mais usados são estes:

• S (e Z): corpo em forma de S com roscas nas duas pontas. A força entra em linha, por uma rosca, e sai pela outra, em tração ou compressão; é a célula de carga de tração mais comum. Aparece em balança suspensa, conversão de balança mecânica, bancada de ensaio e máquina de ensaio de baixa capacidade. Fabricantes nacionais oferecem de 5 a 5.000 kg; a HBM S9M vai de 500 N a 50 kN.
• Coluna (compressão): cilindro carregado no eixo, em geral por um botão abaulado que centraliza a força. Mede sobretudo compressão e chega a centenas de toneladas: balança rodoviária, silo, prensa. Na versão basculante (rocker column), as pontas abauladas fazem a coluna voltar ao prumo quando a plataforma se desloca; na versão canister, o corpo vem encapsulado em inox, hermético.
• Panqueca: disco baixo, fixado pela borda e carregado no centro, em tração e compressão. Resolve capacidade alta em pouca altura e é comum em máquinas de ensaio e prensas. A versão vazada no centro, chamada donut, mede a força em parafusos e tirantes que passam por ela.
• Single point: bloco de alumínio com furo binocular, compensado para que a leitura não dependa de onde a carga cai no prato. É a célula da balança de bancada e da envasadora, tipicamente de 5 a 500 kg.
• Viga: viga engastada numa ponta e carregada na outra. Na de flexão (bending beam), os extensômetros leem a flexão; na de cisalhamento (shear beam, simples ou dupla), ficam a 45° do eixo da carga, numa alma rebaixada, e leem o cisalhamento, o que torna a leitura menos sensível à posição da carga. Plataformas de piso, tanques e silos usam vigas de 250 kg a dezenas de toneladas.
• Pino de carga (load pin): eixo instrumentado que substitui o pino de uma articulação, em guindastes, polias, manilhas e moitões. Mede a força que atravessa o pino, por cisalhamento, sem acrescentar peça à estrutura.
• Botão: mini cilindro de compressão para espaços pequenos, montado dentro de dispositivos.

O esquema abaixo compara cinco dessas geometrias lado a lado, com a seta laranja na direção da força que cada uma mede: nas duas que trabalham em tração e compressão (S e panqueca), as setas apontam nos dois sentidos; nas de pesagem (single point e viga), a força é vertical e para baixo.

A tabela resume onde cada tipo aparece. As faixas de capacidade são de catálogos de fabricantes e servem como ordem de grandeza:

Tipo	Força medida	Faixa típica	Onde aparece
S e Z	tração e compressão	5 a 5.000 kg	balança suspensa, bancada, máquina de ensaio
Coluna	compressão	até centenas de t	balança rodoviária, silo, prensa
Panqueca e donut	tração e compressão	alta, em pouca altura	máquina de ensaio, prensa, tirante
Single point	compressão (peso)	5 a 500 kg	balança de bancada, envasadora
Viga (flexão e cisalhamento)	compressão (peso)	250 kg a 50 t	plataforma, tanque, silo

Na máquina universal de ensaios, a célula fica em série com o corpo de prova, entre a travessa e a garra ou o prato, e precisa medir nos dois sentidos, porque a mesma máquina faz tração e compressão. Por isso as geometrias usadas ali são a S, nas capacidades baixas, e a panqueca ou a coluna de tração e compressão, nas altas. A célula de balança, single point ou viga, não serve para esse uso.

Especificações da célula de carga: como ler o datasheet

O datasheet traduz a qualidade da célula em números, e quase todos são dados em porcentagem do fundo de escala (FS, do inglês full scale), isto é, da saída na capacidade nominal. Isso importa: 0,02 % FS numa célula de 10 kN são 2 N, seja a força medida de 10 kN ou de 500 N. Os itens que decidem a escolha são estes:

• Capacidade nominal (E_max): a maior força para a qual a célula é especificada. Vai de gramas a centenas de toneladas.
• Sensibilidade e sua tolerância: a saída em mV/V na capacidade, em geral 2 mV/V, e quanto a célula real se afasta do nominal. O valor exato vem no certificado de cada célula, e é ele que se usa para ajustar o indicador.
• Não linearidade: o maior desvio entre a curva real de carga e a reta que liga o zero à capacidade, em % FS.
• Histerese: a diferença entre a leitura subindo a carga e a leitura descendo, no mesmo ponto, em % FS. Pesa em ensaios com descarga, como os ciclos de carga e descarga do módulo de elasticidade.
• Repetibilidade: a dispersão entre leituras da mesma força, repetidas nas mesmas condições.
• Creep (fluência): a deriva do sinal com a força constante, medida em geral em 30 minutos. Importa em ensaios longos, como os de fluência e relaxação.
• Efeito da temperatura no zero e na sensibilidade, em % por 10 K, e a faixa de temperatura compensada.
• Carga limite e carga de ruptura: a carga limite é a maior força que a célula suporta sem perder a calibração; a de ruptura é a falha mecânica. A HBM declara 150 % e 300 % da capacidade na célula Z6.
• Resistência de entrada e excitação: 350 Ω é o valor mais comum de ponte; a excitação recomendada fica entre 5 e 10 V, com máximo de 15 V na Z6.
• Grau de proteção (IP) e vedação: de IP65 a IP69K nos catálogos. A vedação por resina ou epóxi protege da umidade comum; a hermética, com corpo de inox soldado (IP68 ou mais), é a de lavagem e ambiente agressivo. Para atmosfera explosiva existem versões certificadas para área classificada (ATEX na Europa; no Brasil, certificação Ex no âmbito do Inmetro).

A tabela reúne os valores típicos citados, com a fonte de cada um:

Especificação	Valor típico	Fonte
Sensibilidade nominal	2 mV/V	HBM S9M
Exatidão de células extensométricas	0,25 % a 0,03 % FS	Omega
Carga limite / de ruptura	150 % / 300 % de Emax	HBM Z6
Resistência de entrada	350 Ω	HBM Z6; Interface
Excitação	5 a 10 V (máx. 15 V)	HBM Z6
Creep de célula C3 em 30 min	0,0245 % da saída nominal	OIML R 60

O datasheet também traz uma classe de exatidão, e aqui mora a maior confusão da área: existem três sistemas de classe diferentes, para três objetos diferentes. A seção "Como interpretar" volta a esse ponto com detalhe.

Como ligar uma célula de carga: 4 fios, 6 fios e condicionador

Uma célula de carga se liga ao indicador por 4 ou 6 fios, e a escolha depende do comprimento do cabo. A célula de 4 fios tem dois de excitação (+EXC e −EXC) e dois de sinal (+SIG e −SIG). Um código de cores frequente, usado pela Interface, é vermelho para +EXC, preto para −EXC, branco para +SIG e verde para −SIG, mas não existe padrão universal: a ligação certa é a do certificado ou do datasheet da própria célula. Uma malha de blindagem costuma acompanhar o cabo e vai ao terra do lado do instrumento.

O problema dos 4 fios é o cabo. A excitação chega à ponte depois de atravessar dois condutores com resistência, e parte da tensão se perde no caminho. Como a saída é proporcional à excitação que chega à ponte, a célula passa a entregar menos sinal que o calibrado. A Interface estima a perda em cerca de 0,37 % da sensibilidade a cada 10 pés (cerca de 3 m) de cabo 28 AWG. A resistência do cobre também muda com a temperatura, e a perda varia ao longo do dia.

A célula de 6 fios resolve isso com dois condutores a mais, +SEN e −SEN (sense), ligados à excitação junto da ponte. Por eles não passa corrente relevante, então medem a tensão que de fato chega à célula, e o condicionador corrige a excitação ou a leitura. A queda no cabo deixa de importar, inclusive a variação com a temperatura. A regra que decorre disso:

• Em célula de 4 fios, o fabricante compensa o conjunto com o cabo de fábrica. Não corte nem emende esse cabo: o comprimento faz parte da calibração.
• Em cabo longo, ou quando a célula precisa ser instalada longe do instrumento, use 6 fios com sense. A Massload sugere 6 fios acima de cerca de 20 m de cabo.

Balanças de plataforma, tanques e silos usam três ou quatro células sob a mesma estrutura, ligadas em paralelo numa caixa de junção e lidas como uma célula só. Como cada célula tem sensibilidade ligeiramente diferente, a caixa tem ajustes para igualar as saídas; sem esse ajuste, a mesma massa dá leituras diferentes conforme o canto da plataforma onde é colocada, o chamado erro de canto. Na máquina universal de ensaios não há esse arranjo: a força passa por uma célula única, em série com o corpo de prova.

O condicionador, ou amplificador, completa a cadeia: fornece a excitação estável, amplifica os milivolts até a faixa do conversor analógico-digital, filtra o ruído e aplica o zero (tara) e o fator de calibração. Em protótipos com Arduino, esse papel costuma ser feito por um módulo HX711, um conversor de 24 bits com amplificador integrado; ele resolve uma balança simples, mas não tem a estabilidade nem a rastreabilidade de um condicionador industrial. Na máquina universal de ensaios, essa função fica na eletrônica de aquisição, que entrega a força ao software junto com o deslocamento da travessa e, quando há, a deformação lida pelo extensômetro de ensaio.

A célula de carga na máquina universal de ensaios

A célula de carga da máquina universal de ensaio é o elo de força de tudo o que se calcula. O limite de resistência é F_máx / S₀, o escoamento sai de uma força lida no patamar ou no desvio da reta, e cada ponto do diagrama tensão-deformação é uma força da célula dividida pela área do corpo de prova. Um erro de 2 % na força vira um erro de 2 % no limite de resistência à tração, sem que nada na curva denuncie.

Por isso as normas de ensaio não se contentam com a especificação da célula: exigem que o sistema de medição de força da máquina seja verificado. No Brasil, o documento é a ABNT NBR ISO 7500-1:2023, adoção da ISO 7500-1:2018. Ela especifica a calibração e a verificação das máquinas de tração e compressão e enquadra cada faixa de força numa classe. O que se verifica é o conjunto (célula, cabo, eletrônica, software e o próprio indicador), montado na máquina, e não a célula isolada.

Como a verificação é feita

Um instrumento padrão de força, em geral uma célula de referência ou um anel dinamométrico, é montado na máquina no lugar do corpo de prova. A máquina aplica forças crescentes, e em cada nível se compara a força indicada pela máquina, F_i, com a força de referência indicada pelo padrão, F. A sequência é repetida em três séries. A norma pede que:

• cada série tenha pelo menos cinco níveis de força, em intervalos aproximadamente iguais, entre 20 % e 100 % da faixa;
• se a faixa for calibrada abaixo de 20 %, entrem pontos suplementares, pelo menos cinco por década abaixo de 20 %;
• o padrão de força atenda à ISO 376 e tenha classe igual ou melhor que a classe pretendida para a máquina, com rastreabilidade ao Sistema Internacional de Unidades;
• a calibração seja feita entre 10 °C e 35 °C, sem que a temperatura do padrão varie mais de 2 °C durante cada série.

Com as três séries, calculam-se em cada nível o erro relativo de indicação, q = (F_i − F̄) / F̄ × 100, em que F̄ é a média das forças de referência, e a repetibilidade, b, que é a dispersão entre as séries. Também se avaliam o erro de zero, f₀, e a resolução relativa do indicador, a.

As classes 0,5, 1, 2 e 3

A classe da faixa é a pior entre as classes que cada parâmetro atinge. A tabela resume os limites de cada classe, em porcentagem da força indicada:

Classe	Erro relativo de indicação (q)	Repetibilidade (b)	Resolução relativa (a)
0,5	±0,5 %	0,5 %	0,25 %
1	±1,0 %	1,0 %	0,5 %
2	±2,0 %	2,0 %	1,0 %
3	±3,0 %	3,0 %	1,5 %

O erro de zero admissível é de ±0,1 % na classe 1. A maioria das normas de ensaio pede classe 1 ou melhor: é o caso da ABNT NBR ISO 6892-1, de tração de metais (detalhada no guia da ASTM E8 e ISO 6892-1), e da ABNT NBR 5739, de compressão de concreto, que admite classe 2 só em laboratório de obra e central de concreto.

A faixa verificada e o seu limite inferior

O ponto que mais distingue a célula de máquina da célula de balança é este: o erro admissível é uma porcentagem da força indicada, e não do fundo de escala. Uma máquina classe 1 garante ±1 % da força lida, seja ela de 9 kN ou de 300 N, desde que a força esteja dentro da faixa verificada. Um erro dado em % do fundo de escala, ao contrário, pesa cada vez mais à medida que a força diminui.

A faixa, porém, tem um piso, e ele vem da resolução do indicador, r, o menor incremento de força que a máquina mostra. A resolução relativa a = r / F × 100 cresce quando a força cai, e a norma limita a a 0,5 % na classe 1. Isso equivale a exigir F ≥ 200 · r. A ISO 7500-1 escreve a regra diretamente: o limite inferior da faixa não pode ser menor que r multiplicado por 400 na classe 0,5, 200 na classe 1, 100 na classe 2 e 67 na classe 3.

O gráfico abaixo mostra essas regras numa máquina de 10 kN com resolução de 1 N. Cada linha horizontal é o erro admissível de uma classe, constante em % da força indicada desde o limite inferior (o ponto, em 400, 200, 100 e 67 N) até a capacidade; a faixa azul é a série padrão de 20 % a 100 %. A curva laranja mostra, para comparação, o que um erro de 1 % do fundo de escala representa em % da força lida: 5 % a 20 % da capacidade.

O limite pela resolução é o piso teórico. O limite que vale para o laboratório é o que está no certificado: se a verificação foi feita só de 20 % a 100 %, a classe declarada vale de 20 % para cima, e uma força de 5 % da capacidade está fora da garantia, mesmo que a resolução permitisse mais. Para usar a máquina abaixo de 20 %, a verificação precisa ter incluído os pontos suplementares.

Quando verificar de novo

A ABNT NBR ISO 7500-1 recomenda verificar em intervalos de até 12 meses, salvo outra especificação, e sempre que a máquina for desmontada para mudar de lugar ou passar por reparo ou ajuste importante. Algumas normas de ensaio tornam o prazo obrigatório: a NBR 5739 exige calibração pela NBR ISO 7500-1 a cada 12 meses no máximo. A troca da célula de carga muda o sistema de medição de força, e a faixa afetada precisa ser verificada de novo antes de voltar a emitir resultados. O artigo sobre a máquina universal de ensaio trata também da periodicidade pela ASTM E4.

Como escolher a capacidade da célula para o ensaio

A capacidade da célula de carga para um ensaio se escolhe pela força do ensaio, e não pelo catálogo. A regra tem dois lados:

• Pelo alto: a força máxima esperada, com folga para materiais mais resistentes que o nominal, tem de ficar abaixo da capacidade. Passar de 100 % tira a leitura da especificação, e passar da carga limite (150 % na célula Z6) pode deslocar o zero de forma permanente.
• Pelo baixo: as forças que importam no resultado têm de ficar dentro da faixa verificada. Não basta a força máxima: no módulo de elasticidade e no limite de proporcionalidade, as forças relevantes estão no início da curva, bem abaixo da ruptura.

Na prática, procura-se a capacidade que põe a força de ruptura entre cerca de 20 % e 80 % da faixa. Para estimar a força, multiplica-se a área do corpo de prova pela resistência esperada do material. Quando um laboratório ensaia do fio fino à barra grossa, uma faixa só não cobre os dois extremos, e a solução é ter mais de uma máquina ou mais de uma faixa verificada. Os exercícios a seguir mostram as contas.

Como testar e calibrar uma célula de carga

Testar e calibrar são coisas diferentes, e a confusão entre elas é comum. Testar é diagnosticar se a célula está íntegra, com instrumentos simples. Calibrar é relacionar a leitura com forças de valor conhecido e rastreado.

O teste com multímetro se faz em duas etapas. Com a célula desconectada, mede-se a resistência entre +EXC e −EXC e entre +SIG e −SIG; os valores devem estar próximos do datasheet (a ponte de 350 Ω é o caso mais comum, e a resistência de entrada costuma ser um pouco maior que a de saída por causa dos resistores de compensação). Mede-se também o isolamento entre os fios e o corpo da célula, que deve ser muito alto. Depois, com a célula alimentada, mede-se o sinal sem carga, que deve estar perto de 0 mV, e com uma massa conhecida: uma célula de 2 mV/V excitada com 10 V deve dar cerca de 10 mV a 50 % da capacidade. Zero muito deslocado indica sobrecarga anterior ou umidade; isolamento baixo indica infiltração.

A calibração usa forças rastreadas em vários pontos, subindo a carga. Em balança, faz-se com massas padrão. O instrumento padrão de força usado para verificar máquinas é, ele próprio, calibrado pela ISO 376:2011 (no Brasil, ABNT NBR ISO 376), que o classifica em 00, 0,5, 1 ou 2. Na máquina de ensaio, o que vale é a calibração e a verificação do sistema inteiro pela ABNT NBR ISO 7500-1, descrita na seção anterior, feita por laboratório com padrão rastreado.

Exercícios resolvidos

Os exercícios aplicam as fórmulas do sinal, a regra da classe e a escolha de capacidade.

Exercício 1: sinal de saída a 60 % da capacidade

Uma célula de 10 kN e 2 mV/V, excitada com 10 V, recebe 6 kN. Qual o sinal? E se a excitação for de 5 V?

• Sinal na capacidade: V_FS = 2 mV/V × 10 V = 20 mV.
• 6 kN são 60 % de 10 kN: V = 20 mV × 0,60 = 12 mV.
• Com 5 V: V_FS = 10 mV e V = 10 × 0,60 = 6 mV. O mesmo ponto dá metade do sinal, o que mostra por que a excitação tem de ser estável e conhecida.

Exercício 2: erro admissível de uma máquina classe 1 num ensaio de 5 kN

Um ensaio registra força máxima de 5 kN, dentro da faixa verificada de uma máquina classe 1. Qual o erro admissível? E se a mesma tolerância fosse de 1 % do fundo de escala de uma célula de 100 kN?

• Classe 1: ±1,0 % da força indicada, ou 0,01 × 5.000 N = ±50 N. A força real está entre 4,95 e 5,05 kN.
• Se fosse 1 % do fundo de escala de 100 kN: ±1.000 N, ou 20 % da força medida.

É por isso que a ABNT NBR ISO 7500-1 usa a porcentagem da força indicada, restrita à faixa verificada.

Exercício 3: limite inferior da faixa pela resolução

Uma máquina tem resolução r = 1 N numa faixa. Até que força a classe 1 pode valer? E se r = 5 N?

• Classe 1: F_mín ≥ 200 × 1 N = 200 N. Nesse ponto, a = 1 / 200 × 100 = 0,5 %, exatamente o limite.
• Com r = 5 N: F_mín ≥ 200 × 5 N = 1.000 N.

A resolução da eletrônica limita até onde a classe pode descer, e o certificado diz até onde ela de fato foi verificada.

Exercício 4: escolher a capacidade para um fio de 1 kN e para uma barra de 16 mm

Um laboratório vai ensaiar à tração um fio que rompe perto de 1 kN e um vergalhão CA-50 de 16 mm. A máquina disponível tem faixa de 100 kN, com resolução de 10 N. Ela serve para os dois?

• Fio: 1 kN é 1 % de 100 kN. O limite inferior da classe 1 é 200 × 10 N = 2 kN, então o fio fica fora da faixa, mesmo que a verificação tivesse pontos suplementares. A solução é uma faixa de 2 a 5 kN, que põe a ruptura entre 20 % e 50 % da capacidade.
• Barra, força mínima: área nominal π × 16² / 4 = 201,1 mm². Pela ABNT NBR 7480:2024, o CA-50 tem f_st ≥ 1,10 × 500 = 550 MPa, então F_máx ≥ 550 × 201,1 = 110.600 N, cerca de 111 kN.
• Barra, força de referência: barras reais rompem acima do mínimo. A 600 MPa, F = 600 × 201,1 = 120.700 N, cerca de 121 kN, já acima de 100 kN.
• Numa faixa de 100 kN, a barra passa da capacidade: a leitura sai da especificação e a célula trabalha perto da carga limite. Numa faixa de 200 kN, 121 kN são 60 % da capacidade, com folga para barras mais resistentes.

Resposta: a máquina de 100 kN não serve para nenhum dos dois. O fio pede uma faixa de poucos quilonewtons e a barra de 16 mm, uma de 200 kN. A escolha por bitola está detalhada no guia da NBR 7480.

Exercício 5: emenda no cabo de uma célula de 4 fios

Uma célula de 4 fios teve o cabo emendado com mais 30 pés (cerca de 9 m) de cabo 28 AWG, sem nova calibração. Qual a perda de sensibilidade estimada?

• Pela estimativa da Interface, 0,37 % a cada 10 pés: 3 × 0,37 % = 1,1 %.
• A máquina passa a ler cerca de 1,1 % a menos em toda a faixa, mais que o ±1 % da classe 1. Com 6 fios e sense, a queda no cabo seria compensada.

Como interpretar: dúvidas que confundem profissionais

Os pontos a seguir aparecem em especificação de compra, em auditoria de laboratório e em discussão com fornecedor. Todos vêm de misturar sistemas de classe ou de ler o certificado pela metade.

Célula C3 é o mesmo que máquina classe 1?

Não. São três sistemas, para três objetos. A classe C3 é da OIML R 60, regulamento de células para pesagem: "C" é a classe de exatidão e "3" indica 3.000 divisões de verificação. As classes 00, 0,5, 1 e 2 da ISO 376 são do instrumento padrão de força, usado para calibrar máquinas. As classes 0,5, 1, 2 e 3 da ABNT NBR ISO 7500-1 são do sistema de medição de força da máquina de ensaio inteira, verificado montado. Uma célula C3 numa máquina não torna a máquina classe 1, e uma máquina classe 1 não diz nada sobre OIML.

A classe OIML pertence à metrologia legal, a que regula a venda por peso. No Brasil, essa regulação é do Inmetro; nos Estados Unidos, a aprovação equivalente é a do NTEP. Célula sem aprovação OIML ou NTEP é vendida como de uso geral: pode ter exatidão parecida, mas não serve para balança de uso comercial.

"Exatidão de 0,03 %" na célula garante a classe da máquina?

Não. O número do datasheet é da célula em bancada, em % do fundo de escala, nas condições do fabricante. A classe da máquina depende também da montagem, do alinhamento, do cabo, da eletrônica e da resolução, e só existe depois da verificação. Uma célula muito boa é condição necessária, não suficiente.

Uma máquina classe 1 é classe 1 em qualquer força?

Não. É classe 1 dentro da faixa verificada, que consta no certificado, de cada faixa de força. Abaixo do limite inferior, a máquina pode até mostrar um número, mas sem garantia de exatidão. Conferir o limite inferior no certificado é parte da preparação de qualquer ensaio de força baixa.

Por que o software mostra força diferente de zero sem carga?

Porque o peso da garra e dos acessórios pendurados na célula, a deriva térmica e pequenos desequilíbrios da ponte produzem sinal. O procedimento normal é zerar (tarar) a força com a garra montada e o corpo de prova ainda solto em uma das pontas. Um zero que não estabiliza, ou que muda muito de um dia para outro, é sinal de problema na célula ou no cabo.

Calibrar a célula e verificar a máquina são a mesma coisa?

Não. A célula pode ter um certificado de calibração de fábrica, feito em bancada; a máquina precisa da verificação pela ABNT NBR ISO 7500-1, feita com a célula montada e com padrão rastreado. É a verificação da máquina que as normas de ensaio pedem e que o auditor confere.

Erros comuns com célula de carga

Os erros mais frequentes não são de projeto da célula, e sim de uso. Cada um tem uma consequência mensurável:

• Carga lateral, momento ou torção. A célula é calibrada para força axial. Garra desalinhada ou corpo de prova torto introduzem forças parasitas, que entram na leitura ou danificam a célula.
• Sobrecarga. Acima da carga limite, o zero pode mudar de forma permanente. O choque na ruptura de corpos de prova frágeis e a queda de peso sobre a célula também contam como sobrecarga.
• Cortar ou emendar o cabo de uma célula de 4 fios. Muda a sensibilidade, como no exercício 5. Em cabo longo, 6 fios com sense.
• Calibração vencida ou célula trocada sem nova verificação. A classe declarada só vale para o conjunto verificado.
• Ensaiar fora da faixa verificada. Força pequena numa célula grande cai abaixo do limite inferior, como o fio do exercício 4.
• Confundir % do fundo de escala com % da força indicada. O datasheet usa a primeira; a ABNT NBR ISO 7500-1, a segunda.
• Comprar pela classe errada. Exigir "C3" numa máquina de ensaio, ou "classe 1" numa balança, mistura sistemas que não se convertem.
• Ignorar a temperatura. Gradiente térmico na célula, por sol, ar-condicionado ou estufa próxima, gera deriva de zero.
• Desprezar o creep em ensaio longo. Em fluência e relaxação, a deriva da célula se soma ao fenômeno medido.
• Cabo sem blindagem ou mal aterrado. Com sinal de milivolts, o ruído de motores e inversores aparece na curva.

A célula de carga na máquina universal Biopdi

As máquinas universais de ensaios da Biopdi, linha M2, têm célula de carga classe 1 pela ABNT NBR ISO 7500-1:2023, em capacidades de 200 N a 1.000 kN. A célula fica em série com a garra ou o prato, e o software BioLab recebe a força junto com o deslocamento da travessa e a deformação dos extensômetros de ensaio. O painel abaixo mostra a máquina, o papel de cada parte na medição de força e os dispositivos que transmitem a força do corpo de prova à célula.

A capacidade da máquina segue a força do ensaio, pela regra da seção de escolha. Para fios, filmes e fitas, com forças de newtons a 1 kN, o modelo é a máquina portátil de 200 N a 1 kN; para plásticos, argamassa e fios mais grossos, a de coluna simples de 2 a 10 kN; para vergalhões até 16 mm, a de coluna dupla de 100 a 200 kN, e para bitolas maiores, os modelos a partir de 300 kN. A linha completa está na página da máquina universal de ensaios, e o software BioLab registra a curva, calcula as propriedades e exporta o relatório. A configuração da célula acompanha a da máquina e é definida no projeto de cada laboratório: para dimensionar a sua, peça um orçamento.

Normas citadas

A tabela reúne as normas citadas. A edição vigente das normas ISO e ASTM foi conferida em 01/10/2026 no catálogo da ISO (as duas revistas e confirmadas em 2026) e na loja da ASTM (ambas ativas); a das normas ABNT, em 30/09/2026, na ficha da ABNT (Target):

Norma	Assunto	Edição
ABNT NBR ISO 7500-1	calibração e verificação do sistema de medição de força de máquinas de tração e compressão	2023, com erratas de 2023
ISO 7500-1	base internacional da norma brasileira	2018, confirmada em 2026
ISO 376	calibração e classificação dos instrumentos padrão de força	2011, confirmada em 2026
ASTM E4	verificação de força de máquinas de ensaio (EUA)	E4-24
ASTM E74	calibração de instrumentos de medição de força (EUA)	E74-18(2026)
OIML R 60	regulamento metrológico de células de carga para pesagem	R 60-1:2021
ABNT NBR 7480	aço para armaduras de concreto armado	2024
ABNT NBR 5739	compressão de corpos de prova cilíndricos de concreto	2018