Cosa considerare

1. Trasduttori basati sugli estensimetri

trasduttori di forza basati sugli estensimetri (ER) sono ampiamente impiegati e funzionano in modo affidabile anche in condizioni ambientali sfavorevoli. L'installazione meccanica è già stata trattata nell'articolo 'Installazione dei trasduttori di forza'. Qui verranno trattati gli aspetti del collegamento elettrico.

I sensori basati sugli estensimetri usano il cosiddetto ponte di Wheatstone. Questo circuito a ponte è costituito da quattro resistori, come mostra la seguente figura. 

È essenziale che tutti i sensori ad estensimetri siano alimentati da un'adeguata tensione di alimentazione del ponte Ub.

La tensione di alimentazione Ub è fornita dal sistema amplificatore. I valori tipici spaziano fra   

2,5 e 10 V. Il valore giusto per il proprio trasduttore di forza si può trovare nel prospetto dati; vedere 'Campo di esercizio della tensione di alimentazione'.

Lo schema accanto mostra che per operare con il ponte di Wheatstone sono sufficienti quattro conduttori. Due fili alimentano il sensore con la tensione elettrica e gli altri due fili conducono la tensione di misura all'amplificatore.

Informazioni:

La tensione di alimentazione di riferimento è quella che è stata usata per alimentare il sensore durante la determinazione dei suoi dati tecnici. 

Il campo di esercizio della tensione di alimentazione è la tensione di alimentazione con cui il trasduttore può operare mantenendo le specifiche tecniche date. 

Usando tensioni di alimentazione superiori ai limiti specificati, gli estensimetri e gli altri resistori del trasduttore di forza si scaldano eccessivamente, provocando la variazione dei singoli parametri (sensibilità, coefficiente termico della sensibilità, ecc.). Non superando il campo di esercizio della tensione di alimentazione, queste variazioni sono trascurabili sia nelle applicazioni sperimentali che nella produzione. 

Il limite inferiore del campo della tensione di alimentazione è determinato dai dati sperimentali: non si possono effettuare prove con tensione di alimentazione 'zero'.

Per le misurazioni di alta precisione (catene di misura di riferimento), è in genere consigliabile la scelta della stessa tensione di alimentazione specificata nel certificato di taratura del trasduttore. È addirittura più opportuno utilizzare la medesima catena di misura, cioè trasduttore ed elettronica tarati insieme quali sistema. 

2. Qual'è l'esatto valore della tensione di uscita di un trasduttore ad estensimetri?

L'esatta sensibilità nominale di un sensore è indicata nel certificato di prova. Nella maggioranza dei casi, questa sensibilità è di 2 mV/V, applicando la forza nominale.

Come anzi menzionato, il sistema amplificatore alimenta il ponte di misura con una tensione di alimentazione. Questa tensione di alimentazione del ponte è sovente di 5 V. Se il vostro trasduttore di forza ha sensibilità nominale di 2 mV/V, allo stadio d'ingresso dell'amplificatore giungono 10 mV, se il trasduttore viene caricato alla propria forza nominale. Ad esempio, usando un S2M/100 N (forza nominale 100 N), la sensibilità nominale è di 2 mV/V e caricandolo a 100 N si ottengono 10 mV in uscita.

In genere, il valore di misura non sarà sempre 100 N; infatti dovrebbe essere possibile rilevare anche valori inferiori. Desiderando avere risoluzione del segnale pari a 0,1 N (10 µV), ciò deve essere possibile già nello stadio d'ingresso.

Se il vostro amplificatore possiede la risoluzione di 100.000 divisioni, che è comunque inferiore a quella degli strumenti di alta precisione quali il DMP41 della HBM , ciò corrisponde alla relazione fra l'altezza della torre Eiffel (321 m) e lo spessore di una custodia per CD.

I requisiti diventano significativamente maggiori quando aumenta la complessità dei compiti di misura. Quanto più il collegamento corrisponde esattamente al compito di misura, tanto più affidabili saranno i propri risultati di misura.

3. Sensori con circuito a quattro fili

La tecnologia di misura con gli estensimetri richiede il collegamento di almeno quattro fili. Molti sensori operano in accordo a questo principio, denominato circuito a 4 fili.
Tale configurazione è qui mostrata.

Le resistenze dei conduttori, disegnate nei fili di alimentazione, non devono essere assolutamente trascurate.

Informazioni:

Per un trasduttore di forza che funzioni con circuito a 4 fili, vengono dati i seguenti parametri:

  • Resistenza del ponte: 350 Ω
  • Cavo di rame: sezione di 0,14 mm²
  • Resistenza specifica: ρ = 0.0178 Ω⋅mm²/m

Ciò consente di calcolare la resistenza del cavo di rame:
Con cavo di collegamento lungo 5 m, la resistenza dei conduttori è di 1,272 Ohm (linee di andata e ritorno), e con cavo lungo 50 m essa è di 12,72 Ohm.

Il ponte di misura ed i conduttori formano un partitore di tensione, provocando una parziale caduta della tensione sul cavo. Pertanto, la tensione applicata al circuito a ponte sarà inferiore e, di conseguenza, sarà minore anche il segnale di uscita. In definitiva, si ha una perdita di sensibilità.

La perdita di sensibilità è dello 0,36 % per il cavo lungo 5 m ed aumenta al 3,6 % per quello da 50 m. Queste variazioni sono consentite se rientrano nella taratura, cioè la sensibilità specificata nel rapporto di prova o certificato di taratura resta valida per sensori aventi il cavo di collegamento già montato.

La resistenza dei cavi di rame è dipendente dalla temperatura. La resistenza aumenta al crescere della temperatura e, pertanto, si riduce la tensione applicata al ponte di misura. Di ciò si deve tener conto durante il bilanciamento del trasduttore, specialmente se i sensori disponibili hanno cavo di collegamento di differente lunghezza.

 

I trasduttori di forza HBM con circuito a 4 fili sono stati tarati includendo il cavo di collegamento, perciò la sensibilità è corretta all'estremità del cavo e l'accorciamento dello stesso provoca la variazione delle sensibilità. Per  mantenere la taratura, si raccomanda di non tagliare il cavo.

Assegnare la sensibilità specificata nel rapporto di prova:

 

Il rapporto di prova fornisce molte informazioni. Consentendo l'impostazione dell'amplificatore, la sensibilità è un valore importante. Esempio: trasduttore di forza U93/1KN

Si deve considerare il cavo che corre fino all'ingresso dell'amplificatore. Poiché i moderni amplificatori usano stadi d'ingresso ad alta resistenza, si può trascurare la caduta di tensione su queste linee.

4. Sensori con circuito a sei fili

Molti sensori utilizzano il circuito a 6 fili. I due conduttori addizionali regolano la tensione di alimentazione al ponte. Se la resistenza del cavo dovesse variare a causa dell'influenza della temperatura od alla variazione della lunghezza del cavo, l'amplificatore effettua un riaggiustamento interno fino a raggiungere di nuovo il valore preimpostato.

Il vantaggio di questo circuito è la possibilità di usare cavi molto lunghi (fino a 500 m) senza che venga influenzata la sensibilità dei sensori. Anche le variazioni della resistenza causate da quelle della temperatura non hanno alcun impatto sui risultati di misura.

Ciò è particolarmente vantaggioso quando la temperatura del cavo e quella del corpo del trasduttore non sono identiche.

Informazioni:

Come prima menzionato, con i trasduttori di forza aventi circuito a 4 fili non si dovrebbe modificare la lunghezza del cavo. Se fosse necessario aumentare la lunghezza del cavo, si raccomanda di usare cavi di prolungamento a 6 conduttori. Questi cavi possiedono due conduttori sensori supplementari oltre a quelli di alimentazione, che consentono all'amplificatore di regolare l'impatto del cavo di prolungamento.

5. Schermatura

Nei trasduttori di forza HBM, lo schermo (calza) del cavo è sempre collegata alla custodia. La risultante gabbia di Faraday blocca i campi elettromagnetici, per cui si evitano le interferenze. Se il cavo deve essere prolungato, collegare lo schermo del cavo del sensore a quello del cavo di prolungamento, mantenendo così l'integrità della gabbia di  Faraday. Collegare i connettori in modo che lo schermo ricopra estensivamente la superficie di contatto (collegamento non puntiforme).

Se il trasduttore e l'amplificatore avessero potenziali diversi, compensare le correnti che possono fluire lungo lo schermo del cavo, causando maggiori interferenze. Idealmente, si dovrebbero effettuare collegamenti a bassa resistenza (equalizzazione del potenziale della linea). A tal scopo si consigliano cavi aventi sezione di almeno 16 mm2.

Se ciò non fosse realizzabile nella pratica, è possibile interrompere lo schermo nel connettore. In ogni caso questa è la 'seconda miglior' soluzione.

La HBM offre una vasta gamma di cavi di misura che hanno ampiamente provato la propria idoneità. I cavi di misura devono possedere svariati requisiti: bassa capacità, stabilità termica, simmetria, ecc.

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