Usando Células de Carga para Pesar Caminhões, Trens e Aviões

Na indústria aérea, peso é dinheiro. Cada quilo adicional requer mais combustível para realizar um deslocamento, de forma a garantir que se há gasolina suficiente nos tanques significa saber quanto uma aeronave pesa. Distribuição de peso é outro fator. Peso demais na parte traseira fará com que a aeronave voe com o nariz para cima, alterando o ângulo de ataque e consumindo mais combustível.
Pesar algo tão grande quanto uma aeronave — até um Boeing 747 — não é particularmente difícil. Isso é feito com células de carga. Este Relatório Oficial da OMEGA Engineering explica como as células de carga são usadas para pesar objetos muito grandes. As seções abordam:

• A importância do peso no transporte;
• Tecnologia de pesagem;
• Noções básicas de célula de carga;
• Sistemas de pesagem de caminhões;
• Sistemas de pesagem de trens;
• Sistemas de pesagem de aeronaves;

As aeronaves, de aviões civis de dois assentos a aeronaves maiores de passageiros e de carga, são pesadas regularmente por duas razões. Primeiro, é uma exigência da FAA, que o operador saiba o peso da aeronave, e à medida que o peso pode mudar ao longo do tempo, a repesagem periódica é obrigatória. E, em segundo lugar, um piloto pode desejar saber o peso de carga ou de passageiros e bagagem transportada a bordo para determinar tanto o combustível necessário e a distribuição de peso (em aviões turboélice pequenos, não é incomum que os passageiros sejam deslocados para equilibrar a distribuição de peso).
A pesagem de caminhão é outro recurso que exige grande aplicação de células de carga. Os veículos pesados causam danos significativos às estradas e especialmente às pontes, portanto os países estabelecem limites na carga máxima a ser transportada. A imposição desses limites é realizada em postos de pesagem de estrada, onde todos os caminhões são obrigados a parar para a pesagem.
Os trens também precisam de pesagem. Assim como em estradas, as cargas excessivas aceleram o desgaste d os trilhos e, da mesma maneira com aeronaves, a distribuição desigual de peso pode resultar em problemas de estabilidade. A carga transportada por via férrea frequentemente tem um preço avaliado com base no peso, tornando-se essencial conhecer a carga presente em cada vagão ou carro.

Durante séculos, o principal meio de pesagem era nada menos que balanças que usavam a extensão de uma mola ou um equilíbrio que comparava uma carga com outra. Nas últimas décadas, para usos comerciais e industriais, estes métodos têm sido suplantados por células de carga quando um peso pesado precisasse ser medido.

Uma célula de carga é um dispositivo que converte uma força (massa multiplicada pela gravidade) em sinal elétrico. Isto é comumente feito por meio do efeito piezoelétrico ou com medidores de tensão. Os materiais piezoelétricos são os que produzem um pequeno sinal elétrico à medida que são comprimidos. Enquanto os cristais piezoelétricos são aqueles mais conhecidos, há outros materiais similares que oferecem o mesmo resultado, tais como
os piezocerâmicos.

Um medidor de tensão é um dispositivo elétrico feito de um material cujas alterações de resistência com tensão geralmente são manifestadas por deformação. Estes são usados em células de carga projetadas para desviar em resposta a uma carga. A maioria das células de carga é projetada com uma configuração de feixe que se dobra sob carga, embora alguns usem a expansão em seção transversal resultante de compressão axial ou longitudinal. Estes geralmente dão uma saída menos linear que as configurações de dobra, fazendo com que a calibração possa ser considerada.

Uma configuração típica de dobra é a célula de carga da viga “S”. No perfil, parece a letra “S” e tem quatro indicadores de tensão fixados nas seções horizontais. Quando uma carga for aplicada verticalmente e direcionada para baixo em cima do “S”, a dobra coloca dos medidores em compressão e os outros dois em tensão. A conexão destes indicadores em um sistema de Ponte de Wheatstone permite que as pequenas mudanças na resistência produzam um sinal elétrico mensurável.

Para que uma célula de carga de medidor de tensão apresente medições úteis, a carga deve ser aplicada na direção da operação. As cargas laterais resultarão em leituras incorretas e podem danificar o dispositivo. Os sistemas de sensores piezoelétricos são mais robustos a este respeito, mas são menos precisos em geral. Além disso, a saída de muitos materiais piezoelétricos é bastante dependente da temperatura.

Ao avaliar as células de carga para uma aplicação, deve considerar o seguinte:

• Limte de medição;
• Limite seguro de carga (a carga máxima que pode ser aplicada sem causar uma mudança permanente em leituras);
• Sobrecarga máxima (a carga que quebraria a célula de carga);
• Carga segura lateral (a carga lateral máxima da célula de carga que pode suportar sem causar uma mudança permanente em leituras).

Outros possíveis problemas a serem observados são: a possibilidade de carregamento de choque, carregamento fora do centro e a necessidade de proteção ambiental. Um exemplo de carregamento de choque seria quando uma carga é despejada à célula de carga. Os materiais de absorção de impacto podem reduzir o impacto de tais cargas. As cargas fora do centro produzirão resultados enganosos e podem danificar a célula de carga. As células de carga para ambientes ao ar livre devem ser especificadas para atender aos padrões adequados de IP e NEMA.

A maioria dos postos de pesagem usa células de cargas com base em piezoeléctricos ou medidores de tensão. Estes são incorporados a superfície da estrada e a carga criada por cada eixo medido. Uma inovação recente a tecnologia denominada Pesagem em Movimento (WIM) onde o caminhão pode ser pesado com precisão sem a necessidade de parar. Estes sistemas utilizam uma combinação de células de carga e circuitos indutivos que detectam a presença do veículo. São rápidos e precisos e, acima de tudo, eliminam a necessidade de cada caminhão parar para pesagem. Isto supera os problemas de congestionamento experimentados em horários de trânsito pesado, que muitas vezes obriga o fechamento temporário da estação de pesagem.

Os requisitos para os sistemas de WIM para uso em estrada são definidos na ASTM E1318-02.

Assim como em caminhões, os sistemas estão disponíveis tanto para medição estática quanto medição de WIM. Estes podem determinar cargas por eixo individuais, cargas de bogie e até mesmo o peso de um vagão ou locomotiva inteiras. As células de carga são utilizadas nestes sistemas e têm precisão de ± 1% ou mais.

As aeronaves são pesadas com balanças de plataforma que incorporam células de carga. Normalmente a aeronave é puxada para a frente para que todas as rodas fiquem nas plataformas. O peso total é a soma das leituras de cada plataforma. As distâncias e diferenças entre as leituras de plataforma são utilizadas para calcular a distribuição de peso.

Caminhões, aeronaves e trens precisam de pesagem periódica. Isso é feito por meio de células de carga. Uma célula de carga emprega medidores de tensão quando ocorre uma alteração mensurável na resistência à medida que o material é deformado ou quando materiais piezoeléctricos que produzem carga eléctrica estão sob pressão. Estes sinais são amplificados e podem produzir leituras precisas de ± 1%.