Un unico elemento elastico per tutto Un unico elemento elastico per tutto | HBM

La tecnologia FlexRange, con un’elevata precisione di base, consente di eseguire test della coppia variabili con diversi intervalli di misura

Misurare la coppia in applicazioni automotive spesso presenta difficoltà specifiche. Per alcune applicazioni si predilige la copertura di intervalli di misura multipli con un solo sensore di coppia. Esistono diversi approcci per trovare una soluzione a questa difficoltà. L’intervallo di misura del sensore può essere esteso elettricamente o meccanicamente, per esempio. Nel primo caso, tuttavia, la precisione ne risulta compromessa perché i fattori che contribuiscono all’incertezza di misura, come l’isteresi, il disturbo di segnale e la risposta alla temperatura di un punto zero sono rinforzati con l’estensione dell’intervallo di misura. Nell’altro caso, le proprietà meccaniche si deteriorano per via della struttura altamente complessa del corpo di misura. HBM ha quindi deciso di seguire un approccio diverso, sviluppando la flangia per la misurazione della coppia digitale 12HP con FlexRange. Questo sensore copre l’intero intervallo di misura con un unico elemento elastico, con un livello estremamente elevato di precisione.

I requisiti per i motori e i componenti del settore automotive, come maggiore efficienza energetica, minore consumo e intervalli più lunghi, sono in costante aumento. Questo corrisponde anche a maggiori requisiti di precisione in ricerca e sviluppo – ovvero anche per le apparecchiature di prova. Le misurazioni della coppia sono un fattore fondamentale per svariate applicazioni di prova nell’industria automobilistica. Ed è un fattore particolarmente complesso se occorre coprire intervalli di misura di diversi formati durante un processo di misura, come nei test sui motori. Ne consegue che un sensore di coppia deve acquisire coppie sia elevate che basse, a seconda del test – con una precisione uniforme sull’intero intervallo di misura. Il problema principale è raggiungere un equilibrio tra la precisione di misura e la tolleranza all’errore.

In molte applicazioni, ad esempio nei test dei freni, le coppie massime sono molto alte rispetto alle coppie medie misurate. L’intervallo di misura nominale del sensore è dimensionato in modo adeguato per evitare che il sensore sia sovraccaricato, danneggiato o addirittura distrutto da coppie di picco. Le coppie di picco rappresentano la massima coppia nell’applicazione. Se un sensore viene regolato sulla coppia massima, tuttavia, potrebbe essere sovradimensionato per misurare le altre coppie che si manifestano durante il test. I sensori sovradimensionati presentano uno svantaggio: le importanti informazioni presenti nelle schede tecniche, che devono essere usate per valutare gli errori, si riferiscono all’intervallo di misura nominale, non alla coppia misurata media.

La valutazione dell’errore potrebbe pertanto produrre un risultato sfavorevole perché importanti parametri indicati sulla scheda  tecnica, quali la risposta alla temperatura TC0, la non linearità e l’isteresi, oltre agli effetti dovuti a carichi parassiti, generalmente si riferiscono all’intervallo di misura nominale del sensore.

Due approcci per i sensori dual-range

La soluzione ideale per registrare intervalli di misura multipli durante un singolo processo di prova sarebbe un adattamento costante dell’intervallo di misura del sensore alla coppia massima corrispondente. Dato che non si tratta di una soluzione praticabile per motivi tecnici, è stato sviluppato un numero di diverse varianti di sensori dual-range, in grado di coprire intervalli di misura sia piccoli che grandi. Alla base del sensore dual-range vi sono due diversi principi: i sensori con due elementi elastici e i sensori dual-range con un unico elemento elastico continuo e due canali di misurazione separati.

Elementi elastici multipli per intervalli di misura multipli

I sensori di coppia dual-range misurano in due intervalli di coppia diversi per dimensioni. Per farlo, hanno due elementi elastici o corpi di misurazione, diversi per dimensioni, e hanno diversi intervalli di misura nominali, sono collegati in serie o in parallelo. Ognuno di questi corpi di misura supporta un estensimetro a ponte con speciale coordinazione collegato ad un amplificatore di misura. Ciò consente di determinare la deformazione del materiale del corpo di misura da cui è possibile derivare la coppia. I trasduttori di coppia di questo tipo sono definiti "veri" trasduttori dual-range. Lo svantaggio della versione con gli elementi elastici collegati in serie è che è adatta soltanto per misurazioni della coppia statiche o quasi statiche.

Nelle applicazioni dinamiche, la protezione da sovraccarico dell’elemento elastico più piccolo provocherebbe una sovrapposizione di segnale. Dato che l’elemento elastico più piccolo registra anche le coppie elevate dell’elemento elastico più grande, è dotato di protezione da sovraccarico meccanica, che elimina il collegamento quando le coppie sono troppo elevate, trasferendo la coppia al sensore più grande. Senza questa protezione da sovraccarico sussisterebbe il rischio di danneggiare l’elemento più piccolo. Se scatta la protezione da sovraccarico, ne risulta un segnale non chiaro, che rischia di essere interpretato in modo impreciso in fase di valutazione dei risultati della misurazione. Il secondo, piccolo intervallo di misura, spesso ha anche un design molto "soft", in modo da poter generare un valore caratteristico sufficientemente elevato a basse coppie. Per questo motivo, l’intervallo di misura piccolo risponde con grande sensibilità ai carichi parassiti, come le forze assiali, il che provoca interferenze sulla coppia e rischia persino di danneggiare o distruggere il sensore in casi estremi.

In altre versioni dei "veri" sensori dual-range, gli elementi elastici di diverse dimensioni sono collegati in parallelo. Questa versione lavora senza protezione da sovraccarico, evitando anche le interferenze dovute alla sovrapposizione del segnale. Anche in questo caso però sono gli elementi elastici più piccoli a registrare le coppie elevate, quindi non è eliminato il rischio di sovraccaricare l’elemento elastico più piccolo, con conseguente deformazione plastica. Per evitarlo, l’elemento elastico più piccolo è progettato in modo tale da renderlo in grado di sopportare la coppia massima insieme al corpo di misura più grande. Tuttavia, ciò risulta in un valore caratteristico troppo basso per il secondo ponte dell’estensimetro. Il risultato: una risoluzione insufficiente unita ad un livello di imprecisione troppo elevato, compresa la realizzazione della risposta alla temperatura.

Il sensore elettrico dual-range simula un intervallo di misura piccolo

Il sensore di coppia T12HP differisce anche dai “finti” sensori dual-range con un solo elemento elastico o corpo di misura e simulano elettricamente un secondo elemento elastico.

Contiene un amplificatore di misura aggiuntivo collegato al sensore, impostato per misurare l’intervallo di misura più piccolo. Questo secondo amplificatore di misura amplifica il segnale di uscita, solitamente di un fattore pari a 5 o 10. Pertanto è disponibile un secondo segnale utile,  che rappresenta anche i carichi di coppia più piccoli. Lo svantaggio di questo principio: il secondo intervallo di misura sembra solo aumentare la precisione. I parametri fondamentali per l’incertezza di misura si riferiscono all’intervallo di misura nominale, quindi non al segnale utile amplificato. Dato che il secondo segnale in un sensore dual-range “finto” si limita a diffondere il segnale elettricamente, anche questi fattori influenti sono amplificati se non vengono espressamente specificati dei valori aggiuntivi nella scheda tecnica per il secondo intervallo, che aumenta l’incertezza di misura.

Fattori importanti sono:

  1. Disturbo del segnale
  2. Risposta alla temperatura del punto zero TC0
  3. Isteresi (errore di reversibilità relativo)
  4. Carichi parassiti

1. Disturbo del segnale

Ogni segnale elettronico comprende un rumore di fondo che viene anche rappresentato nella misurazione. Il segnale per l’intervallo di misura più piccolo in un sensore dual-range ha una qualità inferiore per natura, perché questo disturbo di segnale aumenta con l’amplificazione. Il confronto tra zero disturbo di segnale nell’intervallo di misura grande (1:1) e in quello piccolo (per esempio 1:5) mostra che l’amplificazione elettrica aumenta anche il rumore di un fattore pari a circa 5. Pertanto, anche le tolleranze nel segnale di misurazione sono amplificate, ad esempio quelle dovute agli effetti della temperatura. Il disturbo del segnale è basso con il sensore di coppia T12HP perché il secondo intervallo di misura, più piccolo, non è generato dall’amplificazione elettronica. L’elevata precisione di base, unita all’elevata risoluzione del sensore, funzionalità FlexRange, copre l’intero intervallo di misura. Pertanto, il disturbo di segnale rimane basso anche quando la forza del segnale è bassa nell’intervallo inferiore.

2. Risposta alla temperatura del punto zero TC0

La temperatura incide sulla precisione di misurazione di un sensore. Se il segnale di misura viene amplificato per un sensore elettrico dual-range, anche la risposta alla temperatura del punto zero TC0 aumenta. Il ponte di misurazione dell’estensimetro è regolato sull’intervallo di misura nominale con fattore di intensità di segnale 1:1. Anche un’estensione del segnale per un fattore pari a 1:5 aumenta la precisione di un fattore pari a 5 se non è indicato nulla in contrario sulla scheda tecnica. Se la risposta alla temperatura dell’intervallo di misura più grande è specificata come 0,1 %/10K, si ottiene di conseguenza un valore in piena scala dell’intervallo inferiore di 0,5 %/10K per il secondo intervallo di misura, più piccolo. Si noti anche in questo caso se sulla scheda tecnica è specificato un valore separato per la risposta alla temperatura del secondo intervallo. In caso contrario, la diffusione del segnale di misura non comporterà alcun miglioramento nella precisione. Grazie alla tecnologia FlexRange di HBM, il T12HP è in grado di coprire l’intero intervallo di misura con un’unica amplificazione. Con un valore estremamente basso di appena 0,005 %/10K, si ottiene una precisione molto elevata persino nell’intervallo inferiore.

3. Isteresi (errore di reversibilità relativo)

Se la curva caratteristica del segnale di misura viene registrata prima con una coppia in continuo aumento e poi con una coppia in riduzione continua, i segnali di uscita non avranno una corrispondenza esatta. Devieranno tutti dalla curva caratteristica. La deviazione massima tra il carico in aumento e in riduzione viene definita isteresi, o errore relativo di reversibilità. Dipende dalle proprietà elastiche del materiale di cui è composto l’elemento elastico e dal design del corpo di misura.

La quantità dell’isteresi dipende dalla sollecitazione e dalla deformazione risultanti dal corpo di misura, ovvero dalla coppia massima. In caso di cambiamento nell’intervallo di misura più piccolo durante una misurazione della coppia, per esempio una prova freni che preveda l’apertura e la chiusura del freno, l’isteresi rimane “salvata” nell’elemento elastico per via del carico iniziale elevato o della deformazione nell’elemento elastico. Quando cambia l’intervallo di misura, tuttavia, lo fa anche la deviazione dalla curva caratteristica – dalla grande alla piccola distanza.

Per questo motivo si crea un gap nella curva del segnale di misura registrata laddove si ha il cambiamento, chiamato punto di discontinuità dell’offset del punto zero. Questo errore è amplificato in modo simile al fattore di guadagno del segnale di misura. Ad esempio, se l’errore di reversibilità relativa per un sensore dual-range elettrico è 0,05 percento della coppia nominale in un intervallo di misura grande (1:1), dopo essere passati direttamente all’intervallo di misura piccolo (1:5) potrebbe verificarsi un errore di offset pari a 0,25 percento della coppia nominale. Il trasduttore di coppia T12HP copre l’intero intervallo di misura e non vi sono cambiamenti nell’intervallo di misura. La tecnologia FlexRange pertanto consente di avere un segnale di misura continuo eliminando il punto di discontinuità nell’applicazione e nella valutazione della precisione.

Un punto di discontinuità si ha sempre se per esempio esistono diversi livelli di precisione in un sensore dual-range, che dipendono sempre nella loro applicazione o interpretazione al pre-carico, ovvero dall’isteresi.

4. Carichi parassiti

Gli offset assiali si hanno praticamente in tutte le applicazioni sulla trasmissione, a seconda del design e del complesso. Questo in parte è dovuto a tolleranze nella precisione dimensionale dei componenti usati e a problemi di allineamento e in parte ad altri fattori, come la temperatura. L’offset rimanente può essere compensato in modo pratico usando giunti di coppia di compensazione. Tuttavia, l’interferenza risultante dai carichi parassiti non può essere compensata senza interventi con una tecnologia di misura elaborata aggiuntiva. Questo effetto viene ridotto al minimo nel T12HP per via della geometria sofisticata del corpo di misura e grazie all’altissima precisione e qualità dell’applicazione con estensimetro. I carichi parassiti sono relativi al punto zero e la diffusione del segnale di misura in un sensore elettrico dual-range moltiplica l’effetto dei carichi per il fattore di guadagno. I sensori producono grandi errori di misurazione nell’intervallo di misura ridotto. Con un sensore di coppia single-range come T12HP, i carichi parassiti sono gestibili.

Funzionalità FlexRange

HBM ha raggiunto i limiti fisici della tecnologia degli estensimetri con lo sviluppo di T12HP. Inoltre, l’uso della tecnologia della frequenza dell’onda portante da parte di HBM garantisce un’ottima qualità del segnale. Ne risulta un sistema di misura della coppia con precisione di base e stabilità estremamente elevate e una risoluzione molto efficace del valore misurato. Questa combinazione unica rende possibile considerare gli intervalli di misura selezionati con una "lente d’ingrandimento", con una precisione e risoluzione sufficientemente elevate.

È questa filosofia che rende possibile la funzionalità FlexRange: eccellente precisione, stabilità e risoluzione per ogni valore misurato con un solo corpo di misura e un percorso di segnale. Di conseguenza, non è necessario nessun secondo intervallo di misura per soddisfare i requisiti di una precisione o risoluzione sufficiente, neppure nella gamma inferiore.

Conclusione

Esistono diverse possibilità per misurare coppie di diverse quantità in due intervalli di misura. Nella maggior parte delle versioni si verificano perdite di precisione, soprattutto nell’intervallo di misura più piccolo. I veri sensori dual-range con più corpi di misura non sono proprio adatti per le applicazioni dinamiche per via dell’arresto necessario in caso di sovraccarico. Dato che il secondo intervallo spesso è progettato per essere sensibile, di modo che generi un grande segnale utile, i carichi limite ammessi sono di conseguenza ridotti e comportano più interferenze con il segnale della coppia con una frazione d’errore relativamente grande.

Nei sensori elettrici dual-range con un solo corpo di misura, la diffusione del segnale di misura amplifica le proprietà di interferenza, come il disturbo del segnale, l’isteresi, la risposta alla temperatura del punto zero TC0 e i carichi parassiti. A meno che non sia indicato altro sulla scheda tecnica, questo non aumenta la precisione di misura del secondo intervallo. La risposta alla temperatura del punto zero TC0 e il disturbo di segnale sono ingranditi e potrebbe verificarsi un punto di discontinuità nel passaggio dall’intervallo di misura grande a quello piccolo. Il principio del sensore dual-range elettrico amplifica anche i carichi parassiti, a seconda dell’applicazione.

Questi fattori incidenti sono ridotti al minimo nel sensore di coppia T12HP con funzionalità FlexRange. Il trasduttore unisce la flessibilità di filtraggio e scalatura dell’elaborazione digitale del segnale con una precisione di base e una risoluzione molto elevata, offrendo i vantaggi che ci si aspetterebbe da un sensore dual-range, senza però gli svantaggi che questa soluzione comporterebbe

Grazie al corpo di misura brevettato con precisione di base e risoluzione molto elevate, unito alla tecnologia della frequenza dell’onda portante, è possibile  raggiungere limiti d’errore garantiti di appena 0,007 % o 0,005 %/10K per i dati tecnici quali linearità ed isteresi, effetto della temperatura sul segnale zero TC0 e altro. T12HP con la sua funzionalità FlexRange è quindi chiaramente superiore al sensore dual-range sotto svariati punti di vista. La filosofia del T12HP, per usare il massimo potenziale della tecnologia dell’estensimetro fino ai suoi limiti fisici, aumentando in modo significativo la precisione di base del sensore, semplifica enormemente la tecnologia per gli utenti.

Pertanto, la flangia di misura T12HP di HBM non necessita di un secondo amplificatore nell’intervallo inferiore. Con le sue eccellenti proprietà meccaniche, offre un’altissima precisione per tutto l’intervallo di misura. Questo rende il trasduttore di coppia T12HP adatto ad eseguire con efficienza misurazioni altamente precise, ovvero per le misurazioni della coppia altamente dinamiche, con diversi intervalli di misura, per esempio nei test su motore in funzione o veicolo rimorchiato, prove freno con freni attivati e rilasciati o trasmissione e test degli pneumatici.