Due principi di funzionamento sono diventati dominanti nella misurazione delle forze: Sensori piezoelettrici e trasduttori di forza basati sugli estensimetri (ER). Quando è appropriato l'uno o l'altro principio?

1. Basi tecniche

I trasduttori di forza ad estensimetri comprendono sempre un elemento elastico a cui è applicata la forza. Questa forza provoca una minima deformazione dell'elemento elastico. Vengono allungati od accorciati gli estensimetri installati in punti opportuni che, di conseguenza, variano la loro resistenza. Si collegano insieme almeno quattro estensimetri formando un circuito a ponte di Wheatstone. Alimentando il ponte di misura con una tensione, la tensione di uscita risultante è proporzionale alla forza applicata.

Principio di funzionamento del sensore ad estensimetri. La dimensione dell'elemento elastico determina il campo di misura.

I sensori piezoelettrici sono costituiti da due dischi di cristalli con frapposto un elettrodo a foglio. Quando si applica la forza si genera una carica elettrica misurabile da un amplificatore di carica. La carica è proporzionale alla forza applicata.

Struttura di un sensore piezoelettrico. I dischi di cristallo (verdi) convertono la forza applicata in una carica la quale viene rilevata dall'elettrodo situato fra i dischi.

2. Quale principio di misura e per quale applicazione è il più appropriato?

Compiti di monitoraggio statico

I sensori basati sugli estensimetri non mostrano quasi alcuna deriva e sono perciò particolarmente adatti a compiti di monitoraggio a lungo termine. Il cosiddetto scorrimento (creep) - la variazione reversibile del segnale di uscita dipendente dal tempo che appare applicando una forza costante - è estremamente piccolo, poiché esso può essere minimizzato con l'opportuna scelta della conformazione dell'estensimetro. I moderni sensori della HBM, ad esempio il trasduttore S2M, hanno valori di scorrimento inferiori a 200 ppm rispetto al valore di misura - un errore trascurabile in molte applicazioni.

Dato il loro principio di funzionamento, i sensori piezoelettrici di forza hanno una deriva stimata di 1 N/minuto mentre la catena di misura è in esercizio. Poiché questo valore resta invariato indipendentemente dalla forza misurata, l'errore di misura relativo risultante dalla deriva è particolarmente sfavorevole quando si devono misurare piccole forze per lunghi periodi di tempo.

Effetto della deriva con piccole e grandi forze: rilevando 5000 N è possibile un lungo periodo di misura; con forze minori diventa notevole l'effetto della deriva. Diventa ovvio quanto segue: Il tempo di misurazione dipende dall'accuratezza richiesta e d
Misurazione di forze dinamiche

I sensori piezoelettrici mostrano deflessioni molto piccole quando si applica la forza - essi offrono alta rigidità. Ne consegue un'alta frequenza di risonanza la quale, in linea di principio, è molto favorevole alle applicazioni dinamiche. Tuttavia, è l'intera catena di misura ad essere critica per le proprietà dinamiche. Qui è rilevante il fatto che le parti di montaggio usate per installare il sensore siano delle masse addizionali le quali, naturalmente, hanno un certo impatto sulla massa complessiva del sistema, determinandone la frequenza di taglio. Inoltre, molti amplificatori di carica hanno una banda passante che dipende dalla carica e perciò dalla forza che viene misurata. Grandi forze provocano cariche elettriche elevate che a loro volta limitano la larghezza della banda.

Nei sistemi basati sugli estensimetri, le frequenze di taglio sono tanto maggiori quanto più alte sono le forze nominali usate. In linea di principio, i trasduttori per piccole forze sono degli elementi elastici morbidi - la frequenza di risonanza dei trasduttori è corrispondentemente bassa. In ogni caso è essenziale consultare il prospetto dati ma, in generale: I sensori piezoelettrici sono la prima scelta per misurazioni rapide di piccole forze, mentre i trasduttori di forza ad estensimetri sono spesso superiori per la misurazione di grandi forze.

Compiti di taratura

Il circuito utilizzato per collegare gli estensimetri consente la compensazione di molte influenze di errore. Oltre agli effetti della temperatura sul punto zero e sulla sensibilità, viene compensata anche la linearità del trasduttore e l'effetto del momento flettente. Inoltre, i sensori ad estensimetri consentono la taratura statica di alta precisione. Infine gli elementi elastici possono essere progettati per ottenere una riproducibilità ottimale. Quale risultato, sono esclusivamente i trasduttori di forza ad estensimetri ad essere impiegati nel campo delle misurazioni di riferimento della forza.

Alto carico iniziale (precarico)

Quando la forza è applicata, i sensori piezoelettrici producono una carica elettrica che, se necessario, può essere cortocircuitata. Lo stato dell'ingresso dell'amplificatore di carica diventa perciò eguale allo stato di forza 'zero'. Quale risultato, il campo d'ingresso dell'amplificatore di carica non viene influenzato da alcun carico iniziale. Pertanto, la tecnologia dei trasduttori piezoelettrici consente la massima risoluzione anche nelle condizioni sfavorevoli.

In ambienti difficili

Alcuni trasduttori basati sugli estensimetri offrono il grado di protezione IP68  (S9M, U10M con l'opzione cavo di collegamento). Le custodie ermeticamente sigillate proteggono i delicati estensimetri. Ciò consente l'impiego di questi trasduttori in ambienti sfavorevoli.

Per i trasduttori piezoelettrici sono disponibili dei cavi di carica muniti di una speciale guarnizione per assicurare che la connessione alla custodia del sensore sia ermeticamente sigillata e quindi garantire l'alta sicurezza operativa. (KAB145-3)

Per alti requisiti di precisione

I moderni trasduttori di forza raggiungono precisioni molto elevate, specialmente i trasduttori basati sugli estensimetri che si distinguono per i singoli errori di 200 ppm. I sensori piezoelettrici mostrano un alquanto maggiore errore di linearità, in genere dello 0,5 % relativo al fondo scala. Essi sono limitati anche da una deriva più elevata. Effettuando la loro taratura nel campo di forze in cui verranno poi prese le misurazioni, consente di ottenere precisioni molto più alte. 

Dove lo spazio disponibile è un vincolo

I sensori piezoelettrici di forza possono essere molto compatti - p.es. la serie CLP ha altezza inferiore ai 4 mm. Tali sensori sono la soluzione ottimale quando ne è richiesta l'integrazione in sistemi già esistenti. Si deve sottostare a certi compromessi in termini di precisione ottenibile, ma per molte applicazioni la necessità di dimensioni molto piccole è fondamentale. 

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