5 regole per l'installazione ed il montaggio

I trasduttori piezoelettrici di forza offrono numerosi vantaggi per le applicazioni in ambiente industriale: 

  • i trasduttori piezoelettrici sono straordinariamente compatti,
  • le catene piezoelettriche di misura, se propriamente dimensionate, evidenziano resistenza estremamente elevata ai sovraccarichi e deflessione trascurabile, 
  • ciò comporta un'alta rigidità e conseguenti eccellenti caratteristiche dinamiche. 

1. È richiesto un precarico iniziale?

HBM dispone di due differenti strutture di trasduttori piezoelettrici di forza:

la rondella di forza CFW ed il trasduttore di forza CFT.

I trasduttore di forza CFT sono tarati e vengono forniti con il certificato di prova. Essendo già precaricati internamente, questi trasduttori di forza sono pronti per l'uso immediato. Non è necessario rinnovare la taratura della catena di misura. 

Le rondelle di forza CFW hanno struttura notevolmente piatta e non sono precaricate. Durante il montaggio è necessario il precaricamento.

Questi trasduttori devono essere tarati nelle condizioni di installazione. 

Il precaricamento della rondella di forza è necessario per garantire la linearità e la resistenza strutturale del trasduttore.

Il precaricamento significa che un ulteriore elemento meccanico è montato in parallelo al trasduttore di forza. 

Piezo force transducer

Si raccomanda che la rondella di forza sia precaricata ad almeno il 10 % della propria forza nominale. Per determinare il carico nominale si può usare la rondella di forza medesima.  

Una parte della forza di misura è ora deviata dall'elemento di precarico in parallelo. Il precarico e la forza in parallelo (shunt) vengono determinati dalla situazione di montaggio. Diventa pertanto necessario tarare la rondella dopo averla completamente installata, cioè confrontare il segnale di uscita del trasduttore con una forza nota. Ne consegue che la precisione dei risultati di misura dipende principalmente dalla precisione della taratura. 

2. Migliorate la qualità del vostro segnale di uscita

La carica di uscita di un trasduttore piezoelettrico viene convertita in una tensione ad essa direttamente proporzionale mediante un amplificatore di carica.

I sensori piezoelettrici sono perfettamente adatti ad eseguire misurazioni dinamiche, cioè non riferite al punto zero. La deriva generata dalla catena piezoelettrica di misura è talmente bassa da non influenzare la precisione, perfino per requisiti molto elevati. 

Block diagramm of a charge amplifier
Schema a blocchi di un amplificatore di carica 

 

La deriva è un effetto dell'amplificatore di carica. Se adeguatamente montato e collegato, il trasduttore stesso non mostra alcuna deriva. La massima deriva di una catena di misura è di 0,1 pC/s, corrispondente a 25 mN/s se il materiale del sensore è il Quarzo oppure a 13 mN/s se il materiale del sensore è fosfato di Gallio.

Per ridurre drasticamente la deriva, notare i seguenti due punti:

1. Preriscaldamento dell'amplificatore di carica

Preriscaldare l'amplificatore di carica accendendolo almeno un'ora prima di iniziare le misurazioni. 

2. Pulizia dei collegamenti

Se la resistenza di isolamento del cavo fra il trasduttore e l'amplificatore di carica è troppo bassa, la catena di misura sarà soggetta a deriva, perché una parte delle cariche può fluire lungo questa resistenza di isolamento. Per mantenere bassa la deriva della catena di misura, è indispensabile che tutte le spine e le prese siano sempre perfettamente puliti.

Fare attenzione a non toccare le superfici di contatto esposte dei connettori con le mani, dato che ciò riduce la necessaria resistenza d'isolamento.

Si raccomanda anche di tenere sempre chiuse con i coperchi protettivi (in dotazione) le prese dei sensori e degli amplificatori di carica fino al loro collegamento. Appena scollegato un cavo, riavvitare immediatamente il coperchio protettivo. 

I trasduttori piezoelettrici devono essere collegati all'amplificatore di carica con cavi coassiali di alta qualità. Per tale scopo la HBM offre il cavo 1-KAB143/3.  Tali cavi non possono essere riparati, essi devono essere immediatamente sostituiti se danneggiati od usurati

Se la catena di misura opera sempre con il cavo connesso ed i trasduttori sono sempre immagazzinati con i coperchi protettivi, in genere non vengono mai contaminate le superfici di contatto. 

3. Pulite le prese contaminate

Se nonostante tutte le precauzioni dovessero risultare contaminate le prese, esse si possono pulire come segue:

  • innanzi tutto svitare le spine, 
  • strofinare a secco le superfici bianche delle prese con un apposito fazzolettino (p.es. quelli HBM No. Cat. 1-8402.0026),
  • spruzzare le prese con isopropanolo puro (p.es. IPA200 della RS Components),
  • strofinare nuovamente con fazzolettini di pulizia. 

Le spine dei cavi non possono essere pulite e pertanto i cavi contaminati devono essere sostituiti. 

L'agente di pulitura RMS1, usato per pulire i punti di installazione degli ER, non è adatto alla pulizia dei sensori piezoelettrici.

4. Ottimizzate l'ambiente per la misurazione della forza

Influenza della temperatura del trasduttore sulla sua curva caratteristica:

L'influenza della temperatura sulla sensibilità del trasduttore è molto bassa, 0,2% / 10K, ed è trascurabile per la maggior parte delle applicazioni.

Le variazioni di temperatura provocano delle sollecitazioni termiche. Inoltre, il modulo E degli elementi di precarico dipende dalla temperatura.

È importante che il segnale di uscita cambi solo nel caso che vari la temperatura. In condizioni stazionarie, non viene generata alcuna carica e non c'è alcuna influenza delle variazioni di temperatura sulla misurazione. 

L'influenza della temperatura può essere minimizzata assicurandosi che

  • il trasduttore sia portato alla temperatura dell'applicazione per un tempo sufficientemente lungo, 
  • il trasduttore non venga toccato poco prima della misurazione, dato che già il calore delle mani lo può riscaldare non uniformemente, 
  • sia effettuato il reset (azzeramento) dopo ogni ciclo di misura. 

Le influenze della deriva e delle variazioni di temperatura sono estremamente basse, particolarmente se i tempi di misura sono nell'ordine dei minuti e le forze in gioco molto alte, per cui non provocano imprecisioni rilevanti nelle misure.

5. Osservate i limiti di carico

Nei trasduttori piezoelettrici di forza il cristallo risiede direttamente nel flusso della forza. Gli elementi di misura (Quarzo o GaPO4) di ogni trasduttore sono progettati per rilevare la massima forza che insista in direzione normale. 

L'introduzione di momenti flettenti può provocare il sovraccarico del trasduttore, in quanto il cristallo viene caricato più fortemente da un lato e, per contro, il carico viene rilevato dall'altro lato. 

La massima sollecitazione meccanica viene calcolata sommando le sollecitazioni causate dal momento flettente nel cristallo alle sollecitazioni delle forze assiali da misurare. In nessuna circostanza può essere superata la massima pressione superficiale permessa.

Dato che nei trasduttori piezoelettrici il segnale di uscita è indipendente dalla forza nominale del sensore, è possibile selezionare trasduttori con forza nominale più alta, in modo da evitare il pericolo di sovraccarichi. Il seguente diagramma mostra il massimo momento flettente ammesso, in funzione della forza del processo. Per le rondelle di forza, il più alto momento flettente ammesso accettabile è del 50 % del carico complessivo (somma del precarico e della forza applicata).



Se il momento flettente viene provocato da una forza agente da un lato, si genera una forza laterale la quale riduce i valori massimi dati. 

L'errore di misura causato dal momento flettente è basso, perché le sollecitazioni del materiale più elevate su un lato del cristallo vengono compensate da quelle più basse sull'altro lato. 

Se una rondella piezoelettrica di forza (1-CFW/50kN) è caricata con un momento flettente di 100 Nm, si produce un segnale di uscita di -2,3 N. Si prega di notare la massima forza laterale specificata nel prospetto dati. 

Selezione dei componenti

PACEline

Una catena piezoelettrica di misura consiste nel trasduttore effettivo, dall'amplificatore di carica e dal cavo di collegamento fra i componenti.

Se è nota la massima forza da misurare, si può scegliere l'amplificatore analogico di carica adatto dalla serie CMA. 

Con l'amplificatore digitale di carica CMD600 della HBM, si possono impostare liberamente i campi di misura. Inoltre, il CMD600 offre ulteriori funzioni quali, ad esempio, il registratore in linea, la memoria per i valori misurati, valori di picco / valori di allarme e l'apprendimento automatico dei campi di misura („funzione Sensorteach“).

Non dipendendo il segnale di uscita dalla forza nominale, il trasduttore può essere scelto principalmente in funzione dei requisiti di sovraccarico e della sua geometria.

Il CMD600 può coprire tutti i campi di misura: non è necessaria una selezione specifica.

Maggiori dettagli sulla tecnologia HBM dei trasduttori piezoelettrici di forza PACEline:

Piezotrasduttori di forza della serie PACEline

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