Quando bisogna trovare il sensore giusto, i requisiti tecnici non sono gli unici da considerare. Almeno altrettanto importante è anche la facilità di manovra. L’installazione deve essere rapida e semplice e la parametrizzazione della catena di misura deve essere efficiente e priva di errori. Uno sguardo alle soluzioni moderne che impiegano i sensori di forza ad esempio.
I tradizionali sensori di forza hanno tanto da offrire in termini meccanici, ma la taratura della catena di misura in linea con le proprietà rilevanti del sensore è un compito davvero considerevole. Il personale responsabile deve avere tanta dimestichezza con la tecnologia dei sensori quanta ne ha con il funzionamento degli amplificatori. Non c’è da stupirsi se molti ingegneri addetti alle misurazioni richiedono un sensore che contenga propri dati di taratura, numero di serie e nome del modello. La tecnologia TEDS ("Transducer Electronic Data Sheet") ha fornito la soluzione per diversi anni.
È un piccolo chip TEDS che trasporta le informazioni uniche del sensore, paragonabili a impronte, il che semplifica in modo determinante la gestione dei sensori. Lo standard internazionale per TEDS è IEEE1451.4. Questo standard descrive il collegamento di circuito di TEDS. La standardizzazione offre agli utenti il vantaggio di poter combinare in un unico sistema tecnologie dei sensori e degli amplificatori di produttori diversi.
TEDS è molto usato in HBM. Quasi tutti i sensori sono equipaggiati come optional con TEDS (come opzione standard o come soluzione personalizzata). Gli amplificatori HBM possono leggere i TEDS, molti dispositivi prevedono l’opzione di descrivere i TEDS.
Tutti i dati sono archiviati in cosiddetti template in un chip TEDS. Questi template possono essere immaginati come tabelle in cui sono elencati i parametri del sensore.
Ciascun chip TEDS contiene un template chiamato TEDS di base. In questo template sono archiviate le seguenti informazioni:
La procedura TEDS archivia i dati necessari codificati nei template sul chip.
Se il numero 31 viene archiviato sotto ID produttore in TEDS, significa che il produttore è HBM. Il chip nel sensore ora trasmetterà "31" all’amplificatore. È dunque chiaro che il firmware nel sistema dell’amplificatore deve conoscere il codice. Lo stesso si applica alle informazioni sul modello e la serie del sensore. Il produttore del sensore ha questi set di dati pronti, purché lo standard sia supportato. Dalla homepage di HBM è possibile scaricare queste informazioni.
Altri template disponibili possono parametrizzare il sistema di acquisizione con una descrizione del sensore rilevante.
I parametri per i dati del sensore sono trasferiti una volta letto il TEDS di base. I sensori di forza basati su estensimetro sono i cosiddetti sensori ponte, ovvero sensori che funzionano in conformità con il circuito con ponte di Wheatstone. IEEE1451.4 definisce un template rilevante.
Oltre alle informazioni sulla sensibilità del sensore di forza (ad es. la combinazione di uscita nominale e forza nominale), il TEDS base contiene altri dati importanti, come la tensione dell’eccitazione di riferimento, la resistenza del ponte o la data di taratura (se presenti). Altri sensori con estensimetro, ad es. per la misurazione della pressione, sono gestiti in modo simile, purché siano anche circuiti con ponte di Wheatstone.
È importante sottolineare che queste voci possono essere sovrascritte con qualsiasi taratura. Dovessero esserci leggeri cambiamenti nell’uscita nominale del sensore, e nel caso in cui questo cambiamento sia registrato durante una ri-taratura, allora è possibile scrivere il nuovo valore di uscita nominale sul TEDS dopo la taratura.
Il laboratorio di taratura HBM o l’utente possono scrivere come optional i dati TEDS se è necessaria una taratura sul posto.
Oltre ai sensori ponte, la tecnologia TEDS supporta praticamente tutti i tipi di tecnologia dei sensori, come le uscite di frequenza (encoder incrementali, sensori di coppia) o le uscite di potenza con o template rilevanti. Sono disponibili altri template per le linearizzazioni o la taratura delle unità display ad un’interfaccia di uscita, indipendentemente dal fatto che si tratti di un sistema con display visivo o sistema bus, come EtherCAT o PROFIBUS.
Il volume di dati da trasferire è minuscolo - un grande vantaggio quando si tratta della velocità di trasmissione.
L’utente può descrivere come optional l’intero TEDS se sono usati sensori con standard non supportato dai produttori. I chip TEDS sono resi disponibili da HBM nel caso in cui un’applicazione utilizzi sensori provenienti da un produttore che non offra TEDS. Possono essere installati sul sensore rilevante o sui relativi cavi e possono essere descritti usando l’hardware necessario. In effetti, i sensori presenti possono essere settati in modo da essere pronti per il plug-and-play.
IEEE 1451.4 consente una varietà di opzioni di collegamento per i moduli TEDS. Il metodo di gran lunga più semplice è usare due cavi aggiuntivi per collegare il modulo. L’illustrazione indica questo tipo di collegamento.
Questo metodo è una delle scelte possibili, ma spesso presenta dei limiti in termini di implementazione:
Questo è il motivo per cui i cosiddetti sensori di classe 1 sono definiti standard. I loro cavi di rilevamento sono usati per leggere i dati del sensore da TEDS o per le misurazioni - la commutazione è completamente elettronica. Gli svantaggi sopra descritti sono evitati, ma gli utenti non possono effettuare misurazioni mentre l’amplificatore sta leggendo i dati del sensore. Questo svantaggio è solitamente accettato, in quanto la parametrizzazione avviene rapidamente e risulta quindi accettabile effettuare le misurazioni soltanto una volta che l’amplificatore è stato tarato.
I collegamenti di classe 1 sono per lo più usati per i trasduttori IEPE. Secondo le migliori conoscenze di questo autore, questo metodo non è usato nella tecnologia di misurazione con estensimetri, pertanto non verrà sviluppato ulteriormente in questa sede.
Un altro metodo sarebbe la cosiddetta configurazione senza fili. Questo circuito non richiede cavi aggiuntivi, proprio come i sensori di classe 1. HBM ha sviluppato questo metodo qualche anno fa per conformità con i requisiti dei clienti che necessitano di implementare la tecnologia TEDS nelle infrastrutture preesistenti.
Con questo metodo, il modulo TEDS è stato installato con un minuscolo collegamento tra l’alimentazione di tensione e la linea di rilevamento del ponte di misura, come illustrato nella figura qui sotto.
Questo tipo di circuito non consente neppure agli utenti di leggere i dati del sensore durante il processo di misura. Un impulso di tensione attiva o disattiva il modulo dalla parametrizzazione alla misura. Un interruttore elettronico apre e interrompe la linea di rilevamento; ora è possibile leggere i dati. L’interruttore poi si chiude di nuovo e ritorna alla modalità di misurazione.
Lo standard IEEE1451.4 è attualmente in corso di revisione. La tecnologia senza fili diventerà parte della nuova versione e sarà disponibile per l’uso da parte di qualsiasi produttore, senza licenza.
Rimane il problema della precisione di misura, in quanto il collegamento necessiterà di un resistore aggiuntivo nella linea di rilevamento. Essenzialmente, la configurazione a 6 fili misura la tensione tra la linea della tensione di eccitazione ponte e la linea di rilevamento. La resistenza d’ingresso dell’amplificatore è molto alta, il che significa che la piccola resistenza seriale è di conseguenza insignificante. Inoltre, i sensori sono tarati tramite chip TEDS, il che significa che sarà presa in considerazione qualsiasi influenza.
Le misurazioni intensive agiscono sul punto zero di gran lunga sotto 50 ppm. Lo spread (la differenza tra il punto zero e il segnale di misurazione a piena potenza) rimane invariato. Un modulo TEDS quindi non ha impatto sulla precisione di misura di un sensore con ponte.
Come argomentato prima, TEDS deve sempre essere collegato in modo inseparabile al sensore. Ecco perché è preferibile l’installazione dentro il sensore.
Questo potrebbe non essere possibile in caso di sensori molto piccoli, ad es. i sensori di forza con una configurazione meccanica che non consente l’installazione del modulo TEDS nell’elemento a molla. In questo caso il chip TEDS può essere installato nella presa. Questi sensori sono disponibili soltanto con il montaggio di TEDS nella presa. HBM presenta quasi tutti i sensori con tecnologia senza fili, il che presenta i principali vantaggi in combinazione con i sensori con estensimetro. Le configurazioni di classe 2 sono usate soltanto se il TEDS deve essere montato all’interno della presa ma il modello della presa non consente l’inserimento di una configurazione senza fili.
Sono disponibili soluzioni personalizzate per tutte le altre configurazioni. Potrebbe essere una scheda madre TEDS come singolo componente, oppure soluzioni montate nel cavo.
Come accennato prima, lo standard IEEE1451.4 è attualmente in corso di revisione. Il gruppo di lavoro comprende rappresentanti del settore e utenti, tra cui HBM. L'esperienza pratica ha dimostrato che predefinire l’unità display è un requisito importante, che dovrà essere preso in considerazione in futuro. Sarà quindi più facile eseguire correzioni di linearità. La tecnologia senza fili sarà aggiunta allo standard. L’organizzazione e la configurazione dei circuiti rimarrà invariata, il che significa che i sensori attualmente forniti saranno perfettamente utilizzabili anche in futuro.
