In una situazione che si presenta frequentemente nella pratica, il trasduttore di forza è già soggetto ad un elevato carico iniziale che, tuttavia, non è l'obiettivo della misurazione. In effetti, si vuole misurare un forza molto piccola sovrapposta a quella grande. 

Tipici esempi d'impiego: 

  • Rondelle di forza precompresse sotto i bulloni, con cui sia necessario misurare variazioni di forza estremamente piccole.  
  • Sensori bloccati in posizione con forza considerevole, con cui rilevare le minime variazioni di forza per compiti di monitoraggio. 

In questo articolo presentiamo i vantaggi dei sensori piezoelettrici rispetto ai sensori di forza ad estensimetri con riferimento ad alcune applicazioni che verranno descritte.

Vantaggi della tecnologia di misura piezoelettrica

Funzionamento del sensore piezoelettrico. L'applicazione della forza causa lo spostamento del baricentro delle cariche. Sulla superficie del cristallo è misurabile la carica che è proporzionale alla forza applicata.

Sotto l''azione di una forza, i sensori piezoelettrici generano una carica elettrica. Il diagramma soprastante ne illustra il principio di funzionamento

Le cariche generate sono proporzionali alla forza applicata. L'unità di misura della carica è il pC (10-12 Coulomb o picoCoulomb, che equivale a 3,12 * 10-6 cariche elementari).

I trasduttori che utilizzano il quarzo come materiale sensore piezoelettrico, hanno una sensibilità di circa 4,3 pC/N. Ciò significa che applicando una forza di 1 Newton al sensore, viene prodotta una carica di 4,3 pC. I sensori come il nuovo CFT/25kN usano il fosfato di gallio quale cristallo piezoelettrico e ciò consente di ottenere una sensibilità doppia, cioè doppia carica a parità di forza. Le cariche vengono inviate ad un amplificatore di carica, che le converte in un segnale normalizzato di 0...10 V.

Il vantaggio di questa tecnologia è che, presumendo lo stesso materiale, la sensibilità del sensore rimane la stessa indipendentemente dal campo nominale della forza: si può perciò utilizzare un sensore di alta portata anche per misurare forze molto piccole Un'altra ragione per preferire questa tecnologia è che le cariche possono essere portate fisicamente a zero. Quando il sensore è sotto carico (nel nostro esempio il precarico), è sufficiente cortocircuitarlo per ottenere 0 pC all'ingresso dell'amplificatore.

In tale situazione. si può aumentare il guadagno dell'amplificatore di carica per far corrispondere il campo di misura alla forza da misurare. L'entità del precarico non è rilevante. Che il sensore operi con forte carico iniziale o del tutto senza precarico, non influisce in alcun modo sulla risoluzione e sull'accuratezza di misura. È sempre possibile portare a zero l'ingresso dell'amplificatore di carica usando la funzione RESET.

Sensore piezoelettrico soggetto a carico iniziale: dopo aver applicato il precarico, la catena di misura viene azzerata mediante un reset. Ora l'amplificatore di carica può operare con un campo di misura perfettamente aggiustato (minore). 

Esempio:

Rondella di forza installata sotto la testa di un bullone. Si vuole misurare la forza di trazione agente sulla connessione a vite. Innanzi tutto applicare la forza di precarico, che può essere determinata misurandola con la stessa rondella di forza. Il bilanciamento a zero si effettua azionando il RESET dell'amplificatore di carica. All'ingresso non appare nessun cambiamento. Ora si può impostare l'amplificatore di carica su qualsiasi campo di misura. Infine si possono misurare in modo affidabile anche le forze più piccole.

Notare che:

  • la misurazione risulta particolarmente semplice con l'impiego dei moderni amplificatori digitali di carica come il CMD600, i quali consentono di selezionare qualsiasi campo di misura,
  • l'esempio descritto mostra la misurazione in una derivazione (shunt) di forza. Prima di poter misurare le forze in modo quantitivo, questo tipo d'installazione richiede la taratura. Per ulteriori informazioni, leggere l'articolo 'Installazione dei trasduttori di forza',
  • i sensori piezoelettrici sono sempre soggetti ad una deriva, quindi è necessario riportarli ciclicamente a zero con l'impiego di un filtro passa-alto. Se nessuna di queste due opzioni è possibile o disponibile, si devono forzatamente usare sensori basati sugli estensimetri.

Vantaggi della tecnologia di misura estensimetrica

A sinistra: corpo elastico. In centro: la forza da misurare causa una deformazione che viene convertita in variazione di resistenza dagli estensimetri. A destra: Il circuito a ponte di Wheatstone converte la variazione di resistenza in una tensione misura

I sensori ad estensimetri (ER) operano con il seguente principio di misura:

  • La forza viene applicata ad un corpo elastico provocandone una minima deformazione.
  • Gli estensimetri, applicati in zone opportune, convertono la deformazione in una variazione della loro resistenza elettrica.
  • Infine, con adeguati cablaggio (circuito a ponte di Wheatstone) e tensione di alimentazione, la variazione di resistenza viene convertita in una tensione misurabile.

Il vantaggio dei sensori ad ER è che essi possono essere tarati elettricamente con molte e diverse grandezze, quali il coefficiente termico e la sensibilità del punto zero, l'effetto del momento flettente od anche la linearità. A seconda dei requisiti richiesti, con questa tecnologia si può ottenere un'accuratezza senza precedenti.

Il segnale di uscita dei sensori di questo tipo è la tensione. La tensione di uscita dipende sempre da quella di alimentazione del sensore. Non considerando la parte del segnale di uscita dovuto a certe influenze (temperature, carichi parassiti, ecc.), restano due parametri che determinano l'intero segnale:

  • L' "Errore relativo del segnale di zero", che descrive il segnale di uscita del trasduttore non caricato. 
  • La forza applicata al sensore, che viene convertita in un segnale elettrico di uscita misurabile come sopra descritto.

Effettuando il bilanciamento a zero mediante software od amplificatore di misura per ponti, esso sarà sempre un'addizione o sottrazione delle due tensioni anzi dette. Di regola, il bilanciamento viene effettuato mediante calcolo nell'amplificatore o tramite il software. La tensione di uscita della catena di misura resta invariata. Il campo di misura del sensore deve essere selezionato in conformità all'intera forza, cioè al precarico applicato più la forza da misurare.

Nell'esempio citato, il monitoraggio del cavo di acciaio che supporta una linea elettrica, le variazioni della forza di tensionamento confrontate a quella di base sono molto piccole. Poiché si deve rilevare un segnale molto piccolo rispetto ad un ampio campo di misura, è comprensibile che una risoluzione molto elevata sia richiesta al segnale di misura. Gli errori della catena di misura della forza devono perciò essere significativamente inferiori alla forza da misurare.

Le grandezze d'influenza, specialmente quelle con incertezza di misura relativo al valore di fondo scala, assumono in tal caso un ruolo importante. Per maggiori dettagli su quest'argomento, leggere l'articolo 'Alta accuratezza significa alta efficienza: Perché i trasduttori di forza particolarmente precisi consentono nuove aree di applicazione'. Un basso effetto della temperatura sul segnale di zero, un piccolo errore di deviazione della linearità ed un basso scorrimento sono molto importanti per ottenere risultati di misura affidabili. Tuttavia, diversamente dalla misurazione di forze molto piccole usando sensori con alta forza nominale, in quest'applicazione è importantissimo considerare il coefficiente termico della sensibilità. Come sopra accennato, il sensore di carico genera una tensione di uscita anche se quest'ultima non viene mostrata perché l'amplificatore è stato azzerato. Se la sensibilità del sensore cambia per effetto della temperatura, ciò ha un impatto immediato sul segnale di uscita. Quest'impatto aumenta al crescere del carico iniziale costantemente applicato - nel nostro esempio, la tensione della fune. 

Notare che: 

  • i trasduttori di forza a taglio radialmente simmetrici sono molto precisi e robusti ed hanno dimostrato la loro efficacia in molti casi, specialmente se la misurazione viene effettuata a temperatura variabile. I sensori di questo tipo mostra scorrimento (creep) molto basso (250 ppm in 30 minuti) e, soprattutto, pochissimi errori dovuti alla temperatura. Il nuovo trasduttore di forza di compressione C10 ha una dipendenza dalla temperatura del punto zero di appena 75 ppm / 10K. Anche il trasduttore di forza U10M raggiunge tali ottimi valori caratteristici, 
  • per piccole forze sono da prendere in considerazione i trasduttori di forza a forma di S (S2M, S9M), anch'essi caratterizzati da un'elevata precisione. Tuttavia, a differenza di quelli a taglio radialmente simmetrici, si devono accettare alcune limitazioni per l'impiego dinamico, 
  • Poiché i sensori ad ER non sono soggetti a deriva, non esiste alternativa alla tecnologia basata sugli ER quando non sia possibile il RESET ciclico o l'impiego di filtri passa-alto.

Conclusioni

La misurazione d piccole forze o di piccole variazioni di forza richiede elevati requisiti di accuratezza dei sensori. 

Il principio piezoelettrico offre il vantaggio che il campo di misura dell'amplificatore di carica può essere scelto in modo da adattarsi esattamente alla piccola forza da misurare.

I sensori basati sugli ER sono ora disponibili con accuratezza estremamente elevata. Bassi effetti della temperatura, piccole deviazioni della linearità ed eccellente assenza della deriva, dovute al loro principio di funzionamento, li rendono la prima scelta per tutti quei processi in cui non sia possibile l'azzeramento ciclico.

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