La misurazione elettronica e digitale del peso sul macchinario agricolo
Per l’acquisizione di dati che portano a decisioni operative finalizzate all’applicazione dell’Agricoltura 4.0, è necessaria un’ampia serie di sensori. Quelli che misurano il peso rivestono un ruolo senza dubbio importante, per il monitoraggio dei prodotti raccolti o distribuiti sul campo dal macchinario agricolo. Le celle di carico estensimetriche rappresentano la principale categoria di questa tipologia di sensori
cosiddetta “Agricoltura 4.0” è l’evoluzione dell’agricoltura di precisione, ossia l’”aggiornamento” delle strategie di gestione aziendale che si avvalgono di tecnologie dell'informazione per acquisire dati che portino a decisioni finalizzate. In pratica, si basa sulla raccolta automatica, l’integrazione e l’analisi di dati provenienti dal campo, da sensori e da qualsiasi altra fonte terza, per integrare il supporto decisionale dell’agricoltore con le informazioni provenienti da altri soggetti della filiera, oltre i confini della singola impresa, al fine di aumentare la profittabilità e la sostenibilità economica, ambientale e sociale dell’attività agricola.
Tra i più importanti dati provenienti dal campo (nel senso più ampio del termine) sono compresi senza dubbio i valori di peso dei prodotti raccolti e/o dei materiali distribuiti a vario titolo (fertilizzanti organici e inorganici, prodotti fitosanitari in miscela, ingredienti delle razioni unifeed, ecc.), spesso monitorati in continuo e in tempo reale, in funzione della superficie raccolta o trattata. Per la rilevazione di questa categoria di dati, ci si avvale di sensori che nella gran parte dei casi sono rappresentati da celle di carico estensimetriche, opportunamente collegate a circuiti di amplificazione e gestione dei segnali, che vengono poi inviati a centraline computerizzate per le loro visualizzazione, memorizzazione e gestione successiva, spesso in remoto e in cloud.
Dopo una sintetica trattazione delle modalità costruttive e di funzionamento di questi sensori di peso, verrà illustrata una breve panoramica su alcune delle più comuni applicazioni sul macchinario agricolo.
Il ponte di Wheatstone
è lo schema elettrico di gran lunga più frequentemente adottato nelle celle di carico estensimetriche per la misurazione delle forze, quindi anche della forza peso. Si basa su uno schema di collegamento a rombo di 4 resistenze; su una coppia di vertici opposti del circuito viene applicata una tensione elettrica costante e stabilizzata, mentre sulla coppia rimanente è collegato un voltmetro. Se le resistenze sono identiche (ovvero il ponte è “bilanciato”), il loro effetto sulla tensione si compensa perfettamente, per cui sullo strumento la tensione sarà pari a zero. Se, viceversa, si fa variare ad esempio il valore ohmico di una delle resistenze, il ponte si sbilancerà, e il voltmetro indicherà di conseguenza una tensione proporzionale. Se uno o più dei rami del ponte di Wheatstone sono rappresentate da estensimetri, la tensione elettrica indicata sul voltmetro sarà proporzionale alla sollecitazione meccanica della struttura a cui essi sono incollati. Tramite il ponte di Wheatstone è possibile misurare con estrema precisione variazioni di resistenza infinitesimali, anche di soli 0,0001 Ω, e di conseguenza entità minime di forza.
La cella di carico estensimetrica
è un trasduttore elettronico, che misura la forza applicata su un oggetto alla quale è collegata (o comunque in contatto) grazie ad una serie di estensimetri inseriti al suo interno, combinati quasi sempre in circuiti a ponte di Wheatstone. Si basano su un corpo metallico in acciaio o alluminio, nel quale gli estensimetri rilevano le deformazioni meccaniche del materiale, di compressione, trazione, flessione, taglio, ecc., traducendole in una variazione di tensione nel circuito elettrico a corredo, che viene infine correlata al parametro forza. Le celle di carico estensimetriche possono essere di vari tipi.
A flessione portante per piatti: adatta per sistemi di piccola e media portata, quando il piano di pesatura deve restare insensibile al punto di applicazione del carico. Sono generalmente costruite in alluminio, e ne è sconsigliato l’uso in ambienti ad alto tasso di umidità o in presenza di sostanze chimicamente aggressive, per l’impossibilità di sigillare ermeticamente gli estensimetri interni a causa della particolare conformazione costruttiva.
A flessione doppia: indicate per piccole portate (2÷300 kg), si caratterizzano per una buona risposta anche in sistemi con elevata dinamica. Poiché sono insensibili al punto di applicazione del carico, risultano proficuamente utilizzabili anche per la pesatura di contenitori con baricentro soggetto a piccoli spostamenti.
A taglio: impiegate per pesature di media portata (0,5÷10 t), richiedono solide basi di fissaggio saldamente ancorate, in modo da sopportare momenti flettenti anche particolarmente elevati. Non sono adatte alla misura di carichi trasversali importanti.
Universali a trazione/compressione: coprono un intervallo di misura piuttosto ampio (100 kg÷10 t), e consentono tipicamente misure di compressione e/o di trazione in apparecchiature installate su mezzi di sollevamento.
A compressione a colonna: si usano per pesature di media/grande portata (10÷500 t); sono autocentranti e permettono una libera dilatazione termica delle parti.
A perno: sono impiegate su mezzi di sollevamento e su macchine operatrici. Il loro vantaggio peculiare è la possibilità di sostituzione dei perni originali senza bisogno di modifiche. Si tratta di celle di carico che di solito sono dimensionate ad hoc per ogni applicazione.
Sono inoltre disponibili altri tipi di celle di carico estensimetriche per impieghi particolari, quali le toroidali, a doppio taglio, a flangia e rondella, ecc.
La funzione di pesatura, e più in generale di rilevazione delle forze, trova ampio impiego sulle attrezzature agricole. Di seguito sono brevemente illustrati alcuni esempi tipici.
Spandiconcime
Sui moderni modelli a distribuzione centrifuga a disco singolo o doppio, la quantità distribuita viene monitorata in base alla pesatura in continuo per differenza del contenuto di fertilizzante nella tramoggia, che è fissata al telaio principale della macchina mediante un controtelaio, con l’interposizione di una o due celle di carico. In particolare, la soluzione a doppio sensore permette di pesare il materiale con precisione anche nelle lavorazioni in pendenza. Le celle di carico, spesso con fondo scala medio-alto, ovvero fino a 10 t, trasmettono con una frequenza elevata (100 volte al secondo) alla centralina il dato relativo al peso del concime ancora presente nella tramoggia, e di conseguenza per differenza quello sparso in campo.
Nella concimazione a rateo variabile, basata su mappe di prescrizione delle quantità da apportare alle varie zone dell’appezzamento, tale dato è fondamentale (unitamente alla geolocalizzazione) per agire opportunamente sulle luci dosatrici di uscita del fertilizzante, in modo da riuscire a rispettare le indicazioni programmate.
Carri miscelatori
In questo caso, la necessità è quella di poter pesare con precisione i vari ingredienti della razione alimentare, secondo le diverse ricette preventivamente definite per i vari gruppi di animali. Pertanto, nella centralina vengono memorizzate le formule opportune, in base alla successione di introduzione dei componenti della miscelata nel cassone di miscelazione. Tutti i modelli recenti di carro (trincia) miscelatore possono memorizzare parecchie combinazioni, ognuna composta di un buon numero di ingredienti diversi.
Richiamando quindi la ricetta da preparare, il sistema attiva con un certo anticipo tramite un allarme sonoro (e talvolta anche visivo) il raggiungimento della voluta quantità di prodotto che si sta caricando. L’anticipo è necessario per assicurare la massima precisione nel dosaggio, in modo da tener conto dell’isteresi dell’operazione, ovvero di quella quantità di ingrediente che comunque cade nella tramoggia anche dopo l’interruzione della mandata, dato che è già stato convogliato nei condotti di distribuzione, a partire dal sito di stoccaggio.
Anche in questo caso la misura della quantità di ogni prodotto viene effettuata tramite la misurazione in continuo della differenza incrementale del peso lordo totale del cassone di carico rispetto al telaio principale, grazie ad un certo numero di celle estensimetriche interposte tra le due parti del mezzo. Allo scopo, possono essere presenti 3 o 4 celle di carico a compressione, a flessione, oppure a taglio.
Imballatrici
Su alcuni modelli delle proprie big baler, New Holland ha implementato la funzione“ActiveWeigh”, ovvero la possibilità di pesare la balla appena confezionata e in movimento durante la fase di scarico, appena prima che venga depositata a terra, grazie al montaggio di celle di carico integrate nello scivolo di espulsione. Il sistema è in grado di operare indipendentemente dalla lunghezza della balla, dalle condizioni del campo e dal movimento dell’imballatrice. I dati forniti, ovvero il peso della singola balla, il peso totale del prodotto confezionato dall’inizio del lavoro, il valore medio delle balle prodotte, e la produttività in t/h sono visualizzate sul monitor IntelliView e sono utili per il completo monitoraggio della lavorazione, in un’ottica di “Agricoltura 4.0”.
Rimorchi agricoli
Oltre a parecchie altre utili dotazioni, i modelli più evoluti di rimorchi agricoli sono forniti di un sistema di pesatura del materiale trasportato, del tutto simile a quello dei carri miscelatori. In questo caso l’utilità della funzione descritta è ancora maggiore, tenendo conto che per circolare su strada pubblica in conformità a quanto stabilito dal Codice della Strada è fondamentale non superare la portata massima di ogni singolo modello. Oltre a soluzioni integrate, già previste dal costruttore in fase di fabbricazione del rimorchio, in commercio si possono reperire anche dei kit di montaggio in retrofit, basati su uno (o più) estensimetri installati ad hoc in parti strategiche della struttura portante della macchina, che sono in grado di indicare sulla relativa centralina la pesatura in continuo del prodotto caricato.L’estensimetro
Il funzionamento dell’estensimetro è basato sul principio della variazione lineare (entro limiti definiti) della resistenza elettrica di materiali conduttori in relazione alla loro deformazione. In pratica, si tratta una griglia estensimetrica, ovvero una lunga lamina disposta a spire di materiale resistivo (di solito Costantana, una lega di rame e nichel) depositata mediante fotoincisione su un supporto flessibile di materiale plastico, che viene accuratamente applicato con una colla adatta alla struttura di cui si vuole misurare la (micro)deformazione. L’estensimetro viene poi collegato ad un circuito di misura della variazione della resistenza, che viene infine rapportata alla forza che ha provocato la corrispondente deformazione.
In sostanza, nella griglia estensimetrica la sezione del conduttore varia in funzione della sollecitazione: se si stira, la resistenza aumenta, mentre se si comprime diminuisce.
Il supporto dell’estensimetro deve essere flessibile, elastico, resistente e auspicabilmente isolare elettricamente la griglia dalla struttura sottostante: il materiale più comune adottato allo scopo è la resina epossidica, rinforzata con fibre di vetro.
L’adesivo per l’incollaggio dell’estensimetro deve garantire un’intima e duratura connessione con la superficie della struttura da misurare: i prodotti maggiormente adatti allo scopo sono il cianoacrilato oppure i composti epossodici ed epossi-fenolici.
Infine l’estensimetro deve essere protetto o incapsulato per proteggere la sua applicazione dagli agenti esterni disturbanti (umidità, contatto con oli e solventi, azioni meccaniche improprie come colpi, tagli, ecc.). Si usano allo scopo il silicone oppure la resina nitrilica.
