Installazione dei trasduttori di forza

In questi ultimi anni i trasduttori di forza hanno raggiunto un elevato standard tecnico. I trasduttori ottengono parte della loro alta accuratezza grazie alle migliorate possibilità di taratura. Tuttavia, contrariamente alle celle di carico, in moltissimi casi i trasduttori di forza non possono essere tarati nell'applicazione. Nell'impiego pratico, per ottenere buoni ed affidabili risultati di misura, è importante avvicinarsi il più possibile allo stato di installazione in essere durante la loro taratura, consentendo solo deviazioni che siano ammesse nell'ambito delle specifiche tecniche.

L'accuratezza di misura di un trasduttore di forza dipende in larga misura dallo stato dell'installazione. Stati di installazione sfavorevoli hanno non solo un effetto negativo sulla precisione di misura, ma anche sulle proprietà dinamiche della catena di misura e sull'immunità ai campi elettromagnetici.

1. Influenza della direzione della forza

a. Applicazione obliqua della forza

Nei manuali d'istruzione dei trasduttori di forza, ad esempio del trasduttore di forza C2 HBM, è richiesto che "…le forze applicate sui trasduttori di forza dovrebbero agire il più esattamente possibile nella direzione di misura".

Tale requisito è giustificato da numerose ragioni. La prima è che insorge un errore di misura sistematico poiché questi trasduttori rilevano le forze solo nella direzione di misura. Le forze applicate con un certo angolo rispetto alla direzione di misura vengono in larga parte compensate perché in genere esse non sono l'oggetto della misurazione.

In questo esempio la forza da misurare, F_in, è applicata al trasduttore con l'angolo di inclinazione α. Il vettore forza della forza introdotta si scompone nelle due componenti F_zed F_x. Dal sensore verrà misurata solo la forza nella direzione Z, che è inferiore alla forza applicata.

Considerando la formula:

F_z = F_in ⋅ cos(α)

il risultato di misura sarà perciò più piccolo di un fattore cos(α).

Inoltre, in questi casi viene esercitata una forza laterale, che può essere calcolata con

F_x = F_in ⋅ sin(α)

L'errore di misura quando la forza viene applicata con angoli d'inclinazione fino a cinque gradi è sotto specificato:

1° = 0.015 %

2° = 0.06 %

3° = 0.14 %

4° = 0.24 %

5° = 0.38 %

A titolo di confronto: il maggiore errore individuale dei moderni trasduttori di forza (S9M, S2M) è dello 0,02 %.

2. Influenza delle forze laterali, momenti flettenti e coppie

a. Forze laterali

Le forze laterali sono quelle applicate perpendicolarmente alla direzione di misura del trasduttore. La norma tedesca VDI / VDE2638 fa riferimento ad una forza che agisce nel punto di applicazione del carico.

Queste forze laterali provengono ad esempio dal peso intrinseco delle parti di montaggio o dall'inclinazione del carico applicato. In genere, le forze laterali inducono sempre un momento flettente, poiché esse raramente agiscono all'altezza dell'installazione degli estensimetri (ER). L'errore addizionale che viene generato dipende dalla sensibilità trasversale del trasduttore. Nel caso in cui la forza laterale sia del 10 % di Fz, nella maggior parte dei trasduttori esso resta ben al di sotto dell'1 % della forza nella direzione di misura (Fz).

b. Momenti flettenti

Maggiori errori d'inclinazione nell'applicazione della forza possono distruggere il trasduttore. Nella pratica, all'effettiva forza da misurare si sovrappone spesso un momento flettente.

La figura a lato mostra questa situazione. Oltre alla forza applicata il trasduttore è soggetto ad un momento flettente che può essere generato da una forza laterale nel punto dove è introdotto il carico, dovuto ad esempio dal peso proprio delle parti di applicazione della forza quando il trasduttore è montato orizzontalmente. Anche l'introduzione eccentrica del carico può provocare un momento flettente.

In questo caso la torsione (che in questa figura ruota in senso orario) riduce il carico sulla parte sinistra del trasduttore e lo aumenta nella parte destra. I trasduttori simmetrici alla rotazione (C2, U2B ed U10M) sono particolarmente insensibili ai momenti flettenti perché li compensano o utilizzando più punti di misura situati lungo la circonferenza. I trasduttori di forza U10M ad U10S posseggono un bilanciamento del momento flettente che ne riduce l'influenza allo 0,01 %. Questa proprietà è dovuta all'intercollegamento dei punti di misura che genera sempre un valore medio come risultato.

Indipendentemente dalla sua compensazione elettrica, i grandi momenti flettenti possono distruggere i trasduttori di forza. Come sopra menzionato, è importante notare che, pur essendo presente, il momento flettente non viene mostrato.

Ricordarsi che in molti casi i momenti flettenti sono associati anche a forze laterali, le quali si aggiungono al carico del trasduttore. A tale proposito, osservare le figure sottostanti.

Il momento flettente viene generato sul lato sinistro perché il carico è stato applicato eccentricamente. In questo caso non si ha alcuna forza laterale.

Il momento flettente viene generato sul lato sinistro perché il peso proprio del dispositivo di introduzione del carico produce una leva. La distanza fra il baricentro ed il trasduttore di forza è la lunghezza della leva. In questo semplice caso il peso viene convertito in una forza. Il momento si ottiene moltiplicando la forza per il braccio di leva. Inoltre la forza peso agisce sul trasduttore come una forza laterale. Si devono prendere in considerazione ambedue queste influenze parassite.

c. Coppie

I trasduttori di forza progettati per carico in compressione e trazione sono muniti di filettature interne (S9, S2, U10) o di gambi filettati (U15, Z4, U2B). Per il montaggio dei trasduttori è importante che queste connessioni filettate siano fissate con una coppia di serraggio prestabilita. Durante il montaggio viene sovente superata la massima coppia limite del trasduttore. È inoltre opportuno non esercitare alcuna coppia sul trasduttore durante il serraggio degli attacchi filettati. Ricordare anche il valore della massima coppia limite poiché superandola si può danneggiare permanentemente il trasduttore.

Durante l'esercizio, il momento torcente è largamente compensato dalla geometria del corpo del trasduttore e dai punti di installazione degli ER.

d. Interazione di tutti i momenti, coppie e forze laterali

Con trasduttore caricato alla forza nominale, i massimi limiti di carico si devono sempre intendere validi per una sola influenza parassita. Se più influenze parassite agiscono contemporaneamente sul trasduttore di forza, vale quanto segue:

se più componenti parassiti con il valore massimo ammesso sono presenti nello stesso momento, il trasduttore verrà distrutto,
se più influenze agiscono contemporaneamente sul trasduttore, le loro componenti si possono sommare. Il totale non deve superare il 100 %. Ad esempio, se sono presenti il 50 % della coppia ammessa, il 40 % del momento flettente ammesso ed il 10 % della forza laterale ammessa, il trasduttore è già caricato al massimo. Infatti la somma delle componenti ha già raggiunto il 100 %.

3. Trasduttori di forza per compressione con dispositivi emisferici di introduzione della forza

fig6 gr

I trasduttori progettati per la rilevazione di forze di compressione sono in genere equipaggiati con dispositivi emisferici per l'applicazione del carico.

L'introduzione della forza sul bottone di carico può essere realizzata con dispositivi di introduzione del carico, disponibili in svariate forme e modelli. Essi comprendono ad esempio gli appoggi mostrati nella figura sottostante.

Un pezzo di contrasto di tale tipo viene semplicemente appoggiato sul punto di applicazione della forza. Si deve solo fare attenzione che non vi siano oggetti estranei fra l'appoggio ed il trasduttore di forza. Il supporto può ruotare e può cambiare l'angolo rispetto al trasduttore in modo che i momenti flettenti o le coppie non vengano trasferiti al trasduttore stesso.

Se il trasduttore di forza viene montato senza un apposito appoggio di questo tipo, il componente che entra in contatto col bottone emisferico di applicazione della forza deve soddisfare i seguenti requisiti :

la HBM consiglia una durezza di almeno 43 HRC,
il pezzo deve essere rettificato,
il montaggio deve essere eseguito in modo che le controparti non si distacchino e che il trasduttore non subisca i conseguenti urti di ricongiungimento,
de possibile i componenti a contatto devono ruotare ed essere snodati in modo da prevenire momenti flettenti e coppie.

Generalmente l'applicazione avviene montando i trasduttori di forza in una struttura, perciò la forza viene trasferita alla struttura sotto il trasduttore. Tuttavia è concepibile anche il montaggio orizzontale, ed in tal caso il trasduttore deve essere connesso rigidamente alla struttura.

In ogni caso, l'elemento strutturale su cui è montata la base del trasduttore deve essere progettato per subire solo leggere deformazioni sotto la spinta del trasduttore. A tal scopo dev'essere garantita una sufficiente rigidità.

È anche importante che la superficie di contatto sia piana. La massima non planarità tollerabile è di 0,005 mm. La struttura piana garantisce che il trasduttore si deformi nel modo esatto con cui il produttore ha conseguito la piena accuratezza di misura.

La struttura sottostante deve essere pressoché indeformabile ed avere un diametro maggiore di quello del trasduttore di forza. Una sottostruttura che si deformi troppo, abbia una superficie troppo piccola o non sia sufficientemente piana, sotto l'azione della forza subirà delle variazioni di forma che non sono state prese in considerazione nella progettazione del trasduttore. Cambieranno pertanto i dati tecnici relativi alla sensibilità, alla linearità ed all'isteresi.

Requisiti essenziali per le superfici di contatto di un trasduttore di forza: sufficienti dimensioni, planarità e rigidità.

4. Trasduttori per forze di trazione e compressione con dispositivi di applicazione della forza avvitati

Se oltre a quelle di compressione si rilevano le forze di trazione, i dispositivi di introduzione del carico emisferici non sono ovviamente adatti .

Nei trasduttori di forza di trazione od in quelli di trazione e compressione, i componenti di applicazione della forza devono essere pertanto avvitati al trasduttore. Alcuni trasduttori di forza, ad esempio gli Z4A e gli U2B, hanno una filettatura esterna nel lato superiore ed una filettatura interna in quello inferiore. I trasduttori di forza delle serie U10M ed U10S sono muniti di filettature interne su ambedue i lati di connessione.

Le filettature interne sono considerevolmente più compatte e ciò le rende più adatte per trasduttori di forza che debbano essere meno ingombranti. Naturalmente, con le filettature esterne la distanza fra la connessione a vite e l'installazione degli ER è maggiore, il che ha un effetto positivo su varie proprietà metrologiche (isteresi!). I trasduttori di forza per trazione e compressione con altissimi requisiti di accuratezza e riproducibilità dispongono generalmente della filettatura esterna su un lato e di quella interna sul lato non critico.

Trasduttori di forza con filettatura interna

Per ogni connessione avvitata del trasduttore di forza deve essere esercitata una pressione superficiale sufficiente mediante controdadi. Ciò si ottiene in due diversi modi:

a. Connessione avvitata con applicazione di una forza maggiore della massima forza operativa

avvitare gli elementi di connessione sui due lati del trasduttore di forza,
caricare il trasduttore con una forza superiore al suo carico operativo (senza superare i limiti massimi del trasduttore),
stringere a mano i controdadi.
ora il trasduttore è montato correttamente e può misurare le forze.

Per il sovraccarico possibile vedere le istruzioni di montaggio.

b. Montaggio con coppia di serraggio prescritta

avvitare gli elementi di connessione,
stringere i controdadi con la coppia di serraggio specificata nelle istruzioni di montaggio.

Ricordare che durante il montaggio non si deve esercitare alcuna coppia sul trasduttore, pena la sua possibile distruzione.

Trasduttori di forza con filettatura esterna

Per carico dinamico, i componenti da connettere devono essere bloccati in posizione dai controdadi, ma ciò può essere evitato nel caso di misurazioni di forze puramente statiche. Le coppie di serraggio sono specificate nel manuale di montaggio dei relativi trasduttori di forza.

Lo Z4A (a destra) viene bloccato solo sulla filettatura interna. La filettatura esterna dell'U2B (a sinistra) deve essere sempre bloccata con un controdado

Per quasi tutti i suoi trasduttori, la HBM offre dei golfari snodati adatti sia per forze di trazione che di compressione. Se i trasduttori di forza vengono montati con almeno un golfare snodato, non vengono introdotti momenti torcenti sul trasduttore.

Se vengono montati due golfari snodati, si evitano anche i momenti flettenti e l'introduzione di forze oblique.

Uso dei golfari snodati per la taratura di un trasduttore U10M con forza nominale di 500 kN

Solitamente i golfari snodati non sono adatti alla misurazione di forze dinamiche poiché il gioco dei cuscinetti aumenta nel corso del tempo e ciò può provocare errori di misura. Inoltre, il campo di frequenze in cui si possono utilizzare i golfari snodati è limitato a circa 10 Hz.

Di conseguenza, per carichi dinamici si consiglia l'impiego di elementi di introduzione del carico flessibili.