Tendenze nella tecnologia di misurazione della forza

I progressi tecnologici nell’attuale ingegneria dei banchi di prova non sono dati soltanto dagli amplificatori di misura e dai sistemi software usati in questo settore. Anche i sensori devono dare il proprio contributo all’innovazione, rispondendo alle principali tendenze, quali l'esigenza di tempi più brevi di setup, maggiore flessibilità e automazione dei test.

Usando l’esempio della quantità di misura della forza, desideriamo mostrarvi in che modo l’ultima generazione di trasduttori basati su estensimetri risponde alle mutevoli esigenze delle officine e dei banchi di prova.

Lo sviluppo dei trasduttori di forza degli ultimi anni ha prodotto sensori più precisi che, al contempo, sono robusti, facili da usare e da configurare e convenienti.

Panoramica delle 4 tendenze principali

Precisione maggiore

Condizioni operative estreme

Massima flessibilità

Misurazione di grandi forze

Tendenza innovativa N°1: precisione maggiore

Una maggiore precisione nei banchi di prova porta vantaggi immediati, dati da una gamma di misurazione estesa.

La precisione dei sensori è un fattore che ha un considerevole impatto economico. Il motivo è il fatto che la gamma di misurazione utilizzabile, ad es. la gamma operativa dei sensori con una precisione data, aumenta man mano che cresce la precisione del sensore.

La correlazione è illustrata nel diagramma. Si basa sul sensore S2M, un trasduttore di forza industriale prodotto in grandi quantità. È confrontato con il modello precedente, S2. Progettato secondo lo stato dell'arte, S2M consente di raggiungere una gamma di misurazione decisamente più ampia pur tenendo conto dell’incertezza di misura data. Il calcolo nel nostro esempio si basa su una misurazione della forza nella gamma di carico parziale di entrambi i sensori. Il tempo di misurazione è di 30 minuti. Durante la misurazione è stata presunta una variazione di temperatura di 20 Kelvin. La gamma di misura del sensore è di 500 N. Sono state prese in considerazione le seguenti quantità influenti: linearità, coefficiente di temperatura del punto zero e sensibilità, isteresi e scorrimento.

È dunque possibile usare un sensore con gamma di misurazione di 500 N per determinare con precisione forze di ca. 20 N. Esistono due possibilità per sfruttare questo vantaggio: 

  • si può usare un sensore con maggiore capacità per aumentare la stabilità di sovraccarico della catena di misura. La catena di misura diventa più robusta. Quando si utilizzano i sensori moderni, l’incertezza è molto bassa.
  • Si possono usare i sensori in una vasta serie di misurazioni, riducendo la varietà di modelli.

Tendenza innovativa N°2: pronti per gli ambienti estremi

I trasduttori di forza sigillati ermeticamente oggi sono disponibili per la maggior parte delle quantità di misura. Sono le forze molto piccole, fino a 500 N, che presentano ancora difficoltà. 

L’uso di prodotti negli ambienti estremi è simulato sempre più frequentemente. Qui si trae vantaggio sia da un sistema di amplificazione ultra robusto che - ovviamente - dai sensori progettati per affrontare queste difficoltà!

Oggi sono disponibili sensori saldati e sigillati ermeticamente che rispondono ad elevati requisiti in termini di robustezza. L’elevato grado di protezione IP68 (una caratteristica standard della serie) è dimostrato da un test di immersione in una colonna d’acqua di tre metri per 100 ore. 

I moderni acciai inox si sono dimostrati efficaci in termini sia di resistenza alla corrosione che di elasticità. I produttori come HBM garantiscono quindi la disponibilità di una combinazione di sensori in acciaio inox, IP68, con alloggiamento sigillato ermeticamente e con una classe di precisione di 0,02*.
*Le classi di precisione secondo gli standard HBM soddisfano requisiti decisamente più elevati rispetto agli standard generali del mercato.

Che cosa fare in caso di forze ridotte?

Con le forze molto piccole, fino a 500 N, è difficile usare l’acciaio come materiale per gli elementi elastici. In questo caso, il ridotto modulo di elasticità dell’alluminio risulta vantaggioso. Gli estensimetri devono essere comunque protetti dal silicone. Per questo motivo, occorre migliorare la sensibilità all’umidità attraverso il design degli estensimetri. Ad esempio il polietere etere chetone (PEEK) come materiale vettore SG assorbe solo una piccola quantità di umidità, il che lo rende un materiale molto indicato a questo scopo. Il grado con il quale i trasduttori di forza che contengono questo materiale sono interessati dalla variazione di umidità è sufficiente per molte applicazioni, anche se non si raggiunge l’insensibilità dei sensori pienamente incapsulati.

 

 

 

 

Con un’uscita cavo integrata e un alloggiamento sigillato ermeticamente, il trasduttore di forza U10 di HBM raggiunge un grado di protezione IP68 con precisione perfetta.

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Tendenza innovativa N°3: flessibilità

I moderni trasduttori di forza nel frattempo sono consegnati secondo le specifiche del cliente e praticamente pronti per l’installazione. 

Gli standard di flessibilità per i trasduttori stanno aumentato in modo significativo. Per ridurre ulteriormente i tempi di setup, gli ingegneri dei banchi di prova si aspettano una serie di accessori per applicazione della forza, tarature, lunghezze cavi o connettori con montaggio permanente forniti dal produttore.

I moderni trasduttori di forza soddisfano questa esigenza grazie al loro design modulare. Praticamente tutti i trasduttori di forza HBM possono essere configurati individualmente con diversi connettori e cavi opzionali. È disponibile un totale di 2304 diverse combinazioni possibili per configurare un trasduttore di forza di tipo C10

Anche la domanda di TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) è aumentata drasticamente negli ultimi anni. TEDS significa: un sensore di fatto passivo contiene un piccolo chip di memoria da cui è possibile leggere i dati. Con i giusti amplificatori, questa tecnologia annulla la necessità di parametrizzare i canali di misurazione e riduce anche la suscettibilità all’errore.

2304 combinazioni disponibili: trasduttore di forza C10

2304

Il numero di possibili combinazioni disponibili con il trasduttore di forza C10: 

  • Doppio ponte/ponte singolo
  • Tensione elettrica di uscita da 4 mV/V o 2m V/V
  • TEDS 
  • Taratura 100 % o 50 %
  • Con o senza base di carica
  • Protezione della presa
  • Connettore, cavo integrato
  • Opzione IP68 

Tendenza innovativa N°4: grandi forze

Sistemi assemblati: vedere il quadro generale partendo dai piccoli dettagli. 

 

Visto che i dispositivi tecnici tendono a diventare sempre più grandi, HBM ora offre soluzioni speciali fino a 20 MN, oltre ai prodotti standard fino a 5 MN. Ciò si applica alle navi, ma anche agli impianti eolici, ad esempio. Quando le navi o gli impianti eolici sono in funzione, intervengono forze maggiori che devono essere verificate attraverso dei test.

Ovviamente questo è sempre necessario per tarare i sensori di forza usati sul campo. Le possibilità di tarare forze elevate sono limitate.

In generale, per tarare grandi forze si usano una sorgente di forza (ad es. un cilindro idraulico) e un trasduttore di forza di riferimento. La precisione del trasduttore della forza di riferimento determina la precisione della taratura.

Per questo motivo, HBM ha sviluppato i cosiddetti sistemi assemblati, nei quali vengono montati tre trasduttori di forza in parallelo. Questi sistemi sono usati nella taratura e in diversi progetti di ricerca. L’obiettivo è quello di essere in grado di dedurre il comportamento dell’intero sistema partendo dale proprietà dei piccoli sensori individuali. 

Per esempio, si potrebbero misurare con precisione tre sensori con piccole capacità per sviluppare un sistema con un unico sensore dalla capacità tre volte superiore.  

Visto che questa tecnologia in futuro consentirà di usare le tecnologie di misurazione della forza nelle prove con una precisione di taratura sufficiente, la ricerca è sponsorizzata dall’UE. La capacità dei sistemi finora ottenuta è compresa tra 60 kN e 10 MN.

Layout di un sistema assemblato HBM. I tre trasduttori di forza individuali sistemati meccanicamente paralleli l’uno all’altro sono chiaramente discernibili.

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