Celle di carico: come pesare oggetti di grandi dimensioni.

Cella carico a compressione sartorius

La stima dei pesi è indispensabile nel commercio e nell’industria, ed esistono molti sistemi ed altrettanti motivi per sceglierne uno piuttosto che l’altro.
Nel momento in cui si desidera avviare una operazione di pesatura, o avvalersi di un servizio, dobbiamo avere almeno il minimo indispensabile di cognizione del come le operazioni di peso possono essere effettuate, e soprattutto del perché alcuni sistemi che ci sembrano ovvi, in realtà si rivelano scomodi, oppure impraticabili.

Celle a compressione e manufatti massicci
Se il manufatto che vogliamo pesare è massiccio e di dimensioni ragguardevoli, il primo parametro che dobbiamo tenere a mente è la sua mobilità. Pesare un vagone ferroviario o un’imbarcazione non è un’operazione semplicissima, dal punto di vista della logistica. Una bilancia a piatti e bracci mobili, ovviamente non è la soluzione.
I tempi di assestamento delle bilance tradizionali inficiano la lettura delle misure, e spesso si deve attendere parecchio tempo prima di avere un valore valido. La fragilità, se così si può dire, è il secondo problema delle bilance tradizionali, o basate sui trasduttori induttivi. Un carico di molte tonnellate ha bisogno di una bilancia meccanica molto complessa, con tempi di assestamento lunghi e altrettanto lunghe e frequenti operazioni di setup e taratura.

Principio di funzionamento
Nel caso di carichi notevoli, o di difficile mobilità, la soluzione più appropriata si sta rivelando essere quella delle così dette celle di carico (qui alcune celle a compressione della sartorius).

 

In elettrotecnica viene definita resistenza il rapporto fra la caduta di tensione espressa in volt ai capi di un conduttore, e la corrente che lo percorre. La resistenza è una proprietà intrinseca degli oggetti materiali, ed in particolar modo dei conduttori. Un oggetto costituito da un dato materiale presenta una resistenza elettrica che è legata alla sua forma geometrica, oltre che ad una proprietà intrinseca detta resistività. Ed è proprio grazie alle variazioni delle proporzioni geometriche degli oggetti sottoposti a carico che è possibile calcolare l’entità della forza peso. In pratica un conduttore che viene schiacciato o stirato da un grosso carico, presenta una variazione di resistenza elettrica che è possibile leggere con un ohmetro e correlarla, note le proprietà meccaniche della cella, al peso che deve subire. In sostanza un’imbarcazione o un vagone ferroviario, appoggiati su una struttura contenente celle, la deformano, e questo ci fornisce una stima del peso, anche molto accurata, in base alla tipologia della cella di carico.

Assenza di parti meccaniche in movimento
Bene, pensiamo ad un vagone ferroviario pieno di travi di ferro. Vederlo passare sui binari ci dà un’idea di come dovrebbe essere resistente la meccanica di una bilancia. Il vagone messo sull’ipotetico piatto della bilancia, oscillerebbe per una certa quantità di tempo, ovviamente sottoponendo a stress tutta la struttura metallica. Per chi è un minimo esperto di teoria dei controlli automatici, queste oscillazioni rappresentano una grossa fonte di inquietudine, per via di un fenomeno che si chiama oscillazione non lineare. In poche parole, se i calcoli non sono fatti correttamente, la bilancia rischia di rompersi e danneggiare il carico. Con un sistema a celle a compressione, il problema si attenua notevolmente.

Ad esempio nel caso del vagone ferroviario, le celle sono integrate in un tratto di binario fermo nella sua massicciata. Il vagone deforma il binario e il nostro sistema ne determina il peso senza rischi e senza troppe difficoltà, a parte quelle legate alla frenata di un carico con molta quantità di moto. Per un carico ancor più complesso, come una nave, il meccanismo è lo stesso. La nave che viene spostata con un sistema a binari deve solo passare sulla zona delle celle perché se ne determini il peso.

A vederle, le celle a compressione sono delle comuni parti meccaniche, spesso cilindri piuttosto anonimi ed è proprio questo il loro grosso punto di forza: si integrano facilmente e la loro sostituzione a fine vita è altrettanto semplice, a patto di una buona progettazione iniziale del sistema di misura.  Per ora abbiamo considerato due carichi mobili, ai quali comunque si può sempre associare un sistema di pesatura “tradizionale” ma, per esempio, nel caso di silos? O per manufatti in cemento? La bilancia è da escludersi a prescindere, e la stima statistica non è sempre una scelta ottimale, per esempio per quel che riguarda un ponte o un viadotto. Per oggetti di queste dimensioni la scelta quasi obbligata è quella delle celle a compressione. Si integrano semplicemente nei sostegni e sono sufficientemente accurate.

Vantaggio delle celle a compressione
Un ulteriore fattore a pro delle celle a compressione, rispetto ai sistemi tradizionali, laddove questi restino applicabili, sta nel fatto che l’impiego di un sensore di carico integrato nella struttura ci può almeno in parte svincolare dai servizi di pesatura, abbreviando di conseguenza i tempi di servizio e riducendo comunque i tempi morti e le spese.

Ovviamente le celle a compressione, con il loro hardware per la lettura hanno un costo, ma trattandosi di dispositivi con una vita utile lunga è facile calcolare che si tratta di un investimento destinato ad essere assorbito molto prima che sia necessario un cambio del sensore.
Il range di misurazioni possibili con la tecnologia delle celle a compressione, poi è molto elevato, per singolo elemento. Si tratta di determinare preventivamente la gamma dei pesi che riterremo di dover verificare, per selezionare la cella più adatta. In sostanza non solo manufatti enormi possono essere pesati con le celle, perché esistono in commercio sistemi che iniziano a funzionare già con poche centinaia di kg fino ad arrivare a parecchie tonnellate per singolo sensore.”