Mover miles de toneladas de carga en los trenes más de 2 000 metros de largo es un trabajo complejo. Una distribución no balanceada de la carga entre la parte delantera y trasera del tren puede producir descarrilamientos. Si en la parte trasera se colocan carros pesados y se frena de forma repentina o enérgica, las fuerzas de compresión pueden descarrilar los carros más livianos en la parte delantera. Por casi todo el tiempo en que han existido los trenes de carga, el problema de la distribución del peso ha recibido mucha atención.
Para complicar algo más el reto, los trenes de carga constantemente se reconfiguran en las estaciones a lo largo de la ruta. Los carros se quitan y se reemplazan por otros de peso diferente. En resumen, en un viaje largo, es un mayor desafío saber cómo está cargado el tren. La solución tradicional ha sido pesar cada carro individualmente en una balanza estática, lo cual es lento, ineficiente y costoso.
En la actualidad se utilizan sensores del tamaño de una estampilla para resolver el problema de distribución de carga más eficientemente. Medidores de esfuerzo piezoeléctricos soldados al costado de un riel son un componente fundamental de la tecnología de peso en movimiento (WIM). Los medidores de esfuerzo detectan cambios ínfimos en las propiedades eléctricas del riel cuando la rueda de un carro paso sobre este y el peso del carro se puede derivar de forma precisa a partir de estos datos.
La información en conjunto para todo el tren da al operador ferroviario dos opciones correctivas:
1) Ajustar las configuraciones para acomodar y controlar cuánta presión se aplica; o,
2) Reconfigurar un tren cargado precariamente.
Todo suena bastante simple, pero aplicar ingeniería a la solución implica incluir diversas tecnologías, entre otras:
• Sensores que podrían basarse en varias tecnologías. Los sensores piezoeléctricos que utilizan cristales de cuarzo son comunes y producen una carga eléctrica proporcional a la fuerza. Dado que la señal tiene una gran impedancia, no es sensible a la interferencia eléctrica.
• Para convertir la señal a una salida de tensión se usa un amplificador de carga basado en MOSFET.
• Lazos inductivos para identificar y colocar sello de tiempo a la entrada y salida del carro de la estación de WIM.
• El software de WIM, que debe considerar el peso, la velocidad y otras variables del carro. No es infrecuente incluir un sello de tiempo sincronizado mediante GPS como medio para rastrear los datos.
• También se pueden usar comunicaciones inalámbricas, con frecuencia Wi-Fi, aunque también se puede usar tecnología celular o módems.
Los sensores que usan cuarzo tienen una sensibilidad de unos 4.3 pC/N (es decir, la fuerza de un Newton aplicada al sensor produce una carga de 4.3 picoculombios). El cuarzo se reemplaza por fosfato de galio (GaPO4) como el cristal piezoeléctrico en muchas aplicaciones, como WIM. GaPO4 puede lograr dos veces la sensibilidad, porque se produce dos veces la cantidad de carga con la misma fuerza.
La sensibilidad del sensor permanece intacta, sin importar la fuerza nominal, además, es posible utilizar sensores muy grandes para medir una fuerza muy pequeña. Otra ventaja es que las cargas se pueden definir físicamente en cero. Un cortocircuito se puede usar para producir una carga de cero pC en la entrada cuando el sensor se carga mediante una fuerza, como una pretensión.