Utilizzo delle celle di carico per pesare camion, treni e aerei

Nel settore aereo, il peso equivale a denaro. Ogni chilo in più richiede più carburante per essere sollevato, quindi assicurarsi che ci sia abbastanza carburante nei serbatoi significa conoscere il peso dell'aereo. La distribuzione del peso è un altro fattore importante. Se il peso è eccessivo nella parte posteriore, l'aereo vola con il muso rivolto verso l'alto, alterando l'angolo di attacco e consumando più carburante.

Pesare un oggetto grande come un aereo, anche un Boeing 747, non è particolarmente difficile. Si utilizza una cella di carico. Questo white paper di OMEGA Engineering spiega come vengono utilizzate le celle di carico per pesare oggetti di grandi dimensioni.

Celle di carico per pesare gli aeromobili

L'importanza del peso nei trasporti

Gli aeromobili, dagli aerei civili a due posti ai più grandi aerei passeggeri e cargo, vengono pesati regolarmente per due motivi. In primo luogo, la FAA richiede che l'operatore conosca il peso dell'aeromobile e, poiché il peso può variare nel tempo, è obbligatorio effettuare periodicamente una nuova pesatura. In secondo luogo, un pilota potrebbe voler conoscere il peso del carico o dei passeggeri e dei bagagli imbarcati per determinare sia il carburante necessario che la distribuzione del peso (sui piccoli aerei turboelica non è raro che i passeggeri vengano spostati per uniformare la distribuzione del peso).

La pesatura dei camion è un'altra importante applicazione delle celle di carico. I veicoli pesanti causano danni significativi alle strade e in particolare ai ponti, pertanto gli Stati hanno fissato dei limiti al carico massimo consentito che può essere trasportato. L'applicazione di questi limiti viene effettuata presso le stazioni di pesatura lungo le strade, dove tutti i camion sono tenuti a fermarsi per la pesatura.

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 causare problemi di stabilità. Il trasporto merci su rotaia è talvolta tariffato in base al peso, rendendo essenziale conoscere il carico di ogni vagone ferroviario o carro.

Tecnologia di pesatura con celle di carico

Tecnologia di pesatura

Per secoli il mezzo principale per pesare qualsiasi cosa era costituito da bilance che utilizzavano l'estensione di una molla o un contrappeso che confrontava un carico con un altro. Negli ultimi decenni, tuttavia, per la maggior parte degli usi industriali e commerciali, questi metodi sono stati soppiantati dalle celle di carico quando è necessario misurare un peso elevato.

Nozioni di base sulle celle di carico

Una cella di carico è un dispositivo che converte una forza (massa moltiplicata per la gravità) in un segnale elettrico. Ciò avviene comunemente attraverso l'effetto piezoelettrico o con estensimetri. I materiali piezoelettrici sono quelli che emettono un piccolo segnale elettrico quando vengono compressi. Sebbene i cristalli piezoelettrici siano i più conosciuti, esistono altri materiali simili che svolgono la stessa funzione, come le ceramiche piezoelettriche.

Un estensimetro è un dispositivo elettrico realizzato con un materiale la cui resistenza cambia con la deformazione, che di solito si manifesta come deformazione. Questi sono utilizzati nelle celle di carico progettate per deformarsi in risposta a un carico. La maggior parte delle celle di carico sono progettate con una configurazione a trave che si flette sotto carico, anche se alcune utilizzano l'espansione della sezione trasversale risultante dalla compressione longitudinale o assiale. Queste generalmente forniscono un'uscita meno lineare rispetto alle configurazioni a flessione, rendendo necessaria la calibrazione.

Ponte di Wheatstone Una configurazione tipica di flessione è la cella di carico a trave a "S". Il suo profilo ricorda la lettera "S" e presenta quattro estensimetri fissati alle sezioni orizzontali. In caso di applicazione di un carico verticalmente verso il basso sulla parte superiore della "S", la flessione sottopone due degli estensimetri a compressione e gli altri due a tensione. Collegando questi estensimetri in una configurazione a ponte di Wheatstone, le piccole variazioni di resistenza producono un segnale elettrico misurabile.

Affinché una cella di carico con estensimetri fornisca misurazioni utili, il carico deve essere applicato nella direzione di funzionamento. I carichi laterali causano letture imprecise e possono danneggiare il dispositivo. I sistemi con sensori piezoelettrici sono più robusti sotto questo aspetto, ma complessivamente meno precisi. Inoltre, l'uscita di molti materiali piezoelettrici è piuttosto sensibile alla temperatura.

Load Cell Selection

Quando si valutano le celle di carico per un'applicazione, è necessario tenere in considerazione i seguenti aspetti:

• Range di misurazione
• Limite di carico di sicurezza (il carico massimo che può essere applicato senza causare uno spostamento permanente delle letture)
• Sovraccarico massimo (il carico che causerebbe la rottura della cella di carico)
• Carico laterale di sicurezza (il carico laterale massimo che la cella di carico può sopportare senza causare uno spostamento permanente delle letture)

Altri potenziali problemi da tenere in considerazione sono: la possibilità di carichi d'urto, carichi decentrati e la necessità di protezione ambientale. Un esempio di carico d'urto è la caduta di un carico sulla cella di carico. I materiali che assorbono gli urti possono ridurre l'impatto di tali carichi. I carichi decentrati producono risultati fuorvianti e possono danneggiare la cella di carico. Le celle di carico destinate ad ambienti esterni devono essere specificate in modo da soddisfare gli standard IP e NEMA appropriati.

Sistemi di pesatura per autocarri

La maggior parte delle stazioni di pesatura utilizza celle di carico piezoelettriche o con estensimetri. Queste sono incorporate nella superficie stradale e misurano il carico creato da ciascun asse. Una recente innovazione è la cosiddetta tecnologia Weigh-in-Motion (WIM), che consente di pesare accuratamente gli autocarri senza che questi debbano fermarsi. Questi sistemi utilizzano una combinazione di celle di carico e loop induttivi che rilevano la presenza dei veicoli. Sono veloci e precisi e, soprattutto, eliminano la necessità che ogni camion si fermi per essere pesato. Ciò consente di superare i problemi di congestione del traffico che si verificano nelle ore di punta, che spesso costringono alla chiusura temporanea della stazione di pesatura.

I requisiti per i sistemi WIM destinati all'uso autostradale sono definiti nella norma ASTM E1318-02.

Train Weighing Systems

Cella di carico a compressione a basso profilo

Come per i camion, sono disponibili sistemi sia per la misurazione statica che WIM. Questi possono determinare i carichi dei singoli assi, i carichi dei carrelli e persino il peso di un intero vagone o locomotiva. In questi sistemi vengono utilizzate celle di carico con una accuratezza pari o superiore al ±1%.

Sistemi di pesatura per aeromobili

Gli aeromobili vengono pesati con bilance a piattaforma che incorporano celle di carico. In genere l'aeromobile viene tirato in avanti in modo che tutte le ruote si trovino sulle piattaforme. Il peso totale è quindi la somma delle letture di ciascuna piattaforma. Le distanze e le differenze tra le letture delle piattaforme vengono utilizzate per calcolare la distribuzione del peso.

Precisione e robustezza

Camion, aeromobili e treni devono essere pesati periodicamente. Ciò avviene utilizzando celle di carico. Una cella di carico impiega estensimetri, dove si verifica una variazione misurabile della resistenza quando il materiale viene deformato, oppure materiali piezoelettrici che producono carica elettrica quando sottoposti a pressione. Questi segnali vengono amplificati e possono fornire letture con una precisione pari a ±1%.

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