Uso delle celle di carico per la pesatura di autocarri, treni e aerei

Nel settore del trasporto aereo, il peso è denaro. Per sollevare ogni chilogrammo in più occorre un maggiore quantitativo di carburante, quindi per assicurarsi che il carburante presente nei serbatoi sia sufficiente è necessario conoscere i pesi dell'aereo. La distribuzione del peso è un altro fattore rilevante. Se il peso è eccessivamente concentrato sul retro, la parte anteriore dell'aereo si alza, modificando l'angolo d'attacco con conseguente aumento del consumo di carburante.

Pesare un oggetto grande come un aeroplano, persino un Boeing 747, non è particolarmente difficile. A tal fine si utilizzano le celle di carico. Questo libro bianco realizzato da Omega Engineering illustra come vengono usate le celle di carico per pesare oggetti molto grandi. Argomenti trattati nelle sezioni:

Gli aeroplani, dagli aeromobili civili biposto fino ai più grandi velivoli per trasporto passeggeri e merci, vengono regolarmente pesati per due motivi. Il primo è che una prescrizione FAA stabilisce che l'operatore debba conoscere il peso del velivolo e, poiché questo può variare nel corso del tempo, è obbligatorio provvedere periodicamente alla pesatura. E secondo, un pilota può aver bisogno di sapere il peso delle merci o dei passeggeri e dei bagagli a bordo per stabilire sia il fabbisogno di carburante che la distribuzione del peso (sui piccoli aeromobili turboelica si chiede spesso ai passeggeri di cambiare posto per uniformare la distribuzione del peso).

La pesatura degli autocarri è un'altra importante applicazione delle celle di carico. I veicoli pesanti provocano ingenti danni alle strade e in particolare ai ponti, per questo motivo gli stati impongono dei limiti alla portata massima trasportabile dai mezzi. Il controllo dell'osservanza di tali limiti avviene per mezzo di stazioni di pesatura previste sulla rete stradale, nelle quali tutti gli autocarri devono fermarsi per essere pesati.

Anche i treni devono essere pesati. Come per le strade, i carichi eccessivi accelerano l'usura dei binari, e come per gli aerei, una distribuzione non uniforme del peso può compromettere la stabilità del mezzo. Il costo del trasporto delle merci sulla rete ferroviaria è spesso stabilito in base al peso e questo rende necessario conoscere il peso di ciascuna carrozza o vagone ferroviario.

Per secoli il principale mezzo di pesatura universalmente impiegato sono state le bilance che utilizzavano l'estensione di una molla oppure una bilancia che metteva a confronta due pesi. Tuttavia negli ultimi decenni, nella maggior parte delle applicazioni industriali e commerciali, questi metodi sono stati soppiantati da celle di carico nei casi in cui si debbano pesare oggetti pesanti.

Una cella di carico è un dispositivo che trasforma una forza (massa moltiplicata per gravità) in un segnale elettrico. Questo viene normalmente effettuato mediante l'effetto piezoelettrico o con l'impiego di estensimetri. I materiali piezoelettrici sono quelli che, quando vengono compressi, emettono un lieve segnale elettrico. Anche se i più noti sono i cristalli piezoelettrici, esistono altri materiali analoghi che svolgono le stesse funzioni, come i materiali piezoceramici.

Un estensimetro è un dispositivo elettrico realizzato in un materiale la cui resistenza varia in funzione della sollecitazione meccanica, che solitamente si manifesta sotto forma di deformazione. Questi vengono impiegati nelle celle di carico progettate per flettersi in risposta ad un carico. La maggior parte delle celle di carico presenta una configurazione a trave che si piega sotto carico, anche se alcune utilizzano l'espansione trasversale provocata dalla compressione longitudinale o assiale. Queste di solito generano un'uscita meno lineare rispetto a quelle delle configurazioni a trave, per cui occorre prendere in considerazione la possibilità di procedere alla calibrazione.

Una tipica configurazione a flessione è la cella di carico con trave ad ‘S’. Il suo profilo ricorda quello della lettera ‘S’, con quattro estensimetri fissati alle sezioni orizzontali. Applicando un carico verticale verso il basso sull'estremità superiore della ‘S’, la conseguente flessione determina la compressione di due estensimetri e l'estensione degli altri due. Il collegamento di questi estensimetri con una disposizione a ponte di Wheatstone fa sì che le lievi variazioni di resistenza producano un segnale elettrico misurabile.

Affinché una cella di carico ad estensimetri fornisca misurazioni utili è necessario applicare il carico nella direzione di funzionamento. Eventuali carichi laterali si traducono in letture imprecise e potrebbero danneggiare il dispositivo. I sistemi con sensori piezoelettrici sono i più robusti da questo punto di vista, ma sono nel complesso meno precisi. Inoltre, il segnale in uscita da numerosi materiali piezoelettrici è piuttosto legato alla temperatura.

In occasione della valutazione delle celle di carico da impiegare in una determinata applicazione, occorre tenere in considerazione i seguenti elementi:

Altri possibili problemi da tenere sotto controllo sono: la possibilità di carichi d'urto, carichi disassati e la necessità di una protezione ambientale. Un esempio di carico d'urto potrebbe essere un carico lasciato cadere sulla cella di carico. I materiali ad assorbimento degli urti possono attenuare gli effetti di tali carichi. I carichi disassati generano risultati fuorvianti e possono danneggiare la cella di carico. Le celle di carico destinate ad ambienti esterni devono essere conformi ad opportune norme IP e NEMA.

La maggior parte delle stazioni di pesatura utilizza celle di carico ad elementi piezoelettrici o ad estensimetri. Queste sono inserite nella superficie stradale e misurano il carico creato da ciascun asse. Una recente innovazione è rappresentata dalla cosiddetta tecnologia Weigh-in-Motion (WIM, pesatura dinamica) che consente la precisa pesatura dell'autocarro in movimento. Questi sistemi impiegano una combinazione di celle di carico e spire induttive che rilevano la presenza del veicolo. Sono rapidi e precisi, e soprattutto, eliminano la necessità di fermata di ciascun autocarro per la pesatura. Questo risolve i problemi degli incolonnamenti nelle ore di punta, che spesso rendono necessaria la momentanea chiusura della stazione di pesatura.

I requisiti dei sistemi WIM da impiegare su strade pubbliche sono definiti nella norma ASTM E1318-02.

Per la pesatura degli aeroplani si utilizzano bilance a piattaforma dotate di celle di carico. Di solito l'aeroplano viene tirato in avanti in modo che tutte le ruote poggino sulle piattaforme. Il peso complessivo è dato dalla somma delle letture di ciascuna piattaforma. Le distanze e le differenze tra le letture delle piattaforme vengono usate per calcolare la distribuzione del peso.

Autocarri, aeroplani e treni devono essere tutti pesati periodicamente. A tal fine si utilizzano le celle di carico. Una cella di carico impiega estensimetri nei quali si verifica una variazione misurabile della resistenza al momento della deformazione del carico oppure materiali piezoelettrici che, quando sottoposti a pressione, producono una carica elettrica. Questi segnali vengono amplificati e possono produrre letture con un grado di precisione di ±1%.