I vantaggi e gli svantaggi della misurazione della forza con estensimetri attivi

1. Principio di funzionamento, vantaggi e limiti degli estensimetri

Gli estensimetri, come SLB di HBM, hanno dimostrato il loro valore in molti compiti di misura. Possono essere collegati facilmente alle strutture esistenti per mezzo di viti. Tra le applicazioni tipiche segnaliamo presse, saldatrici, silos ecc. Ad esempio, quando viene avviato un colpo pressa in una pressa dotata di sensore di deformazione, nel telaio della pressa si verifica una deformazione proporzionale alla forza di pressatura. Gli estensimetri convertono questa deformazione in un segnale elettrico misurabile che permette la derivazione della forza (in questo caso, la forza esercitata dalla pressa).

I vantaggi degli estensimetri sono evidenti:

  • Un sensore di deformazione è disponibile a un prezzo decisamente inferiore a quello di un sensore di forza, soprattutto se confrontato con trasduttori di forza da utilizzare con forze molto grandi.
  • I sensori di deformazione non compromettono la robustezza del sistema e non hanno quindi alcun effetto sulle proprietà dinamiche della macchina.
  • In particolare, i trasduttori di forza da utilizzare con forze molto grandi richiedono spazio aggiuntivo. La struttura del sistema di misurazione viene quindi modificata, il che può essere un problema, soprattutto se questa opzione non viene offerta di default.

Di contro, ci sono anche degli svantaggi:

  • I sensori di deformazione sono molto meno precisi dei sensori di forza. Questo fattore è fondamentale, poiché la richiesta di maggiore precisione è sempre più stringente nell’ambito della produzione.
  • Gli estensimetri devono essere tarati dopo il montaggio. La taratura implica che la forza esercitata nel processo debba essere prima misurata con un sensore di forza, come ad esempio il C6A. In seguito, viene confrontata con il segnale dell’estensimetro per cui la deformazione viene convertita in forza. La taratura può essere eseguita anche utilizzando pesi noti. In questo caso, la precisione della misura successiva non può essere migliore di quella del processo di taratura.

2. Estensimetro con elettronica integrata

Gli estensimetri vengono scelti soprattutto quando la precisione non è una priorità e il budget per il sistema di misura è ridotto. In questo caso, il sensore deve essere affiancato da amplificatori, componenti fondamentali che richiedono un ulteriore investimento e la presenza di maggiore spazio.

Per questo motivo, HBM ha dotato il suo estensimetro SLB per compiti di misura semplici di un’elettronica altamente efficace. Questo sensore è disponibile con un’uscita da 4...20 mA e un’uscita da 0...10 V; al nome di questo tipo di sensore viene aggiunto un codice aggiuntivo “VA” (SLB700A/06VA).

Se non si desidera collegare in parallelo più sensori di deformazione, si consiglia di utilizzare il modello SLBVA. Nei casi in cui, invece, è assolutamente necessario prevedere un collegamento in parallelo, si consiglia di valutare la scelta dell’estensimetro passivo SLB700A senza elettronica integrata.

 

 

Collegamento di estensimetri in parallelo

In molte applicazioni, è opportuno non misurare la flessione. La flessione può essere facilmente compensata utilizzando due estensimetri che devono essere montati su un componente simmetrico, uno di fronte all’altro, e collegati elettricamente in parallelo. Gli estensimetri passivi SLB700A sono adatti a questo scopo; con questi modelli la resistenza in uscita e la sensibilità vengono bilanciate. Un altro vantaggio è costituito dal fatto che gli estensimetri SLB hanno una resistenza in ingresso elevata, pari a 1000 Ω. Anche con quattro sensori collegati in parallelo, la resistenza dell’amplificatore a ponte è solo di 250 Ω, un carico che può essere fornito facilmente dalla maggior parte degli amplificatori.

 

 

La decisione relativa all’utilizzo di un estensimetro con o senza elettronica integrata dipende anche dai requisiti relativi al condizionamento del segnale. Si consiglia di verificare se sono richieste le funzioni offerte da un amplificatore di misura industriale, quali gli algoritmi di filtro, i finecorsa o i canali di calcolo.

Gli estensimetri con amplificatore integrato sono la scelta ideale nei casi in cui il valore misurato debba essere acquisito senza collegamento in parallelo, non siano richieste funzioni matematiche (o le stesse non siano implementate in un dispositivo di controllo) e si desideri una soluzione economica.

 

 

Estensimetro attivo SLB700A/06VA con elettronica integrata per forze estremamente elevate
Sensore di deformazione SLB700A: un sensore economico per forze elevate non definite

3. Il metodo “Teach” di HBM: massimo valore del segnale in uscita, indipendentemente dall’applicazione

Nei sensori di deformazione comuni con modulo di amplificazione integrato non è possibile regolare l’amplificazione: ad esempio, 500 µm/m corrispondono a un segnale in uscita di 10 V. Tuttavia, il valore massimo del segnale in uscita dipende dall’amplificazione data che non può essere modificata. Quando il sensore nell’esempio precedente è soggetto a una deformazione di 200 µm/m, la tensione in uscita risultante è pari a 4 V (500 µm/m = 10 V, ossia 2 V per 100 µm/m). In particolare, quando l’elemento successivo nella catena di misura è un modulo con una bassa risoluzione o una rumorosità aumentata, ad esempio per la necessità di utilizzare componenti esistenti, spesso i risultati non sono soddisfacenti.

I sensori di deformazione attivi SLBVA di HBM con elettronica di amplificazione integrata consentono di risolvere questo problema, in quanto offrono il massimo valore possibile del segnale in uscita in ogni momento, indipendentemente dalla finalità dell’applicazione.

Questo tipo di sensore viene fornito con un totale di cinque (versione a corrente) o sei (versione a tensione) entrate e uscite:

 

 

Connettore SLB700A/06VA con tensione in uscita SLB700A/06VA con corrente in uscita Colore del cavo
Tensione di alimentazione 19…30 V 19…30 V Blu
Tensione di alimentazione 0 V 0 V Nero
Segnale in uscita 0…10 V 4…20 mA Bianco
Segnale in uscita 0 V Non in uso Grigio
Ingresso controllo IN1 (azzeramento)     Rosso
Ingresso controllo IN2 (ingresso ‘Teach’)     Verde

 

 

Con la versione corrente, il circuito di misurazione è chiuso tramite l’ingresso di alimentazione a corrente 0V (cavo nero). Consideriamo ora il cosiddetto “Ingresso Teach2”, IN2. Questo ingresso consente di regolare il sensore idealmente per adattarlo a qualsiasi intervallo di misura. Per ottenere questo risultato, HBM ha sviluppato un metodo molto pratico, il cosiddetto metodo “Teach”:

  • Il sensore viene installato come da prassi comune e il carico sulla macchina (pressa, banco su ruote, silo) viene ridotto a zero. Perché l’elettronica salvi il punto zero è sufficiente esercitare un impulso prolungato (pari ad almeno + 10V) sull’ingresso “Teach”.
  • Successivamente, viene applicato il carico massimo e un altro impulso BREVE (almeno 10 V, meno di un secondo) viene inviato all’ingresso “Teach”. L’elettronica viene quindi regolata tra questi due punti.

È evidente che questo metodo consente di utilizzare completamente l’intervallo in ingresso del livello successivo, poiché si ha a disposizione il massimo intervallo in uscita indipendentemente dal livello di deformazione.

 

 

4. Qualche suggerimento sul metodo “Teach”

Con il metodo “Teach”, c’è sempre un cuscinetto del 10% nella parte superiore e in quella inferiore dell’intervallo di misura. In caso di guasto, ad esempio, vengono amplificati e trasmessi i segnali di deformazione più alti. L’elettronica non viene quindi impostata tra 0 e 10V, ma tra 1 e 9V.

La curva caratteristica, ossia il rapporto tra la deformazione e il segnale in uscita, può essere anche negativa. Sia l’accorciamento che l’allungamento possono essere convertiti in un segnale positivo, quindi si può considerare indifferentemente un accorciamento (deformazione negativa) o un allungamento (deformazione positiva) perché l’elettronica integrata è in grado di convertire entrambe le deformazioni in un segnale in uscita positivo. Quello che fa la differenza è il punto che viene acquisito per primo e che quindi viene definito come punto zero. L’amplificatore di misura integrato è a bassa rumorosità e presenta un’ampiezza di banda di 2 kHz; per questo motivo è particolarmente adatto per i processi dinamici.

È fondamentale registrare in maniera permanente l’intervallo, ossia la differenza tra il valore minimo (il punto zero) e il valore massimo (la forza massima applicata). Il punto zero, invece, non viene registrato in maniera permanente e il valore viene cancellato in caso di interruzione di corrente. Per questo motivo, è fondamentale azzerare il valore dopo un’interruzione di corrente. Non è però necessario tarare nuovamente il dispositivo.

È importante notare che esiste un limite di deformazione inferiore in base al quale è possibile tarare il sensore. Questo limite ha ragion d’essere, in quanto la rumorosità dell’elettronica potrebbe diventare troppo elevata. La differenza tra la posizione zero e la deformazione in corrispondenza della massima forza applicata deve sempre essere di 50 µm/m. Una differenza inferiore impedirebbe all’elettronica di completare il processo teach-in. Nel caso di strutture metalliche, ciò provoca una sollecitazione del materiale pari a circa 10 N/mm2 che ne facilita l’impiego anche con livelli di deformazione molto bassi, ad esempio nel caso di struttura molto robuste.

 

 

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