Rondelle di forza per produzione, test e monitoraggio Rondelle di forza per produzione, test e monitoraggio | HBM

Rondelle di forza per produzione, test e monitoraggio

Forze elevate, requisiti rigorosi per la robustezza dell'attrezzatura di misurazione - per non parlare delle esigenze di bassa altezza di costruzione e facile integrazione con un budget limitato - ci sono molte ragioni per l'utilizzo di sensori di forza anulari. I loro diversi usi vanno dalle forze di monitoraggio in praticamente innumerevoli applicazioni industriali, come la crimpatura, l'unione, la pressatura e la rivettatura, al monitoraggio a lungo termine delle connessioni filettate nelle turbine eoliche o su rotaie.

Pertanto, i requisiti che devono affrontare le rondelle di forza sono vari quanto i compiti di misurazione:

  • Una soglia di discriminazione bassa, per garantire un'eccellente sensibilità e consentire di misurare anche le forze più piccole
  • Versione robusta con dimensioni compatte
  • Dimensioni adatte per i più diffusi diametri di viti, bulloni e perni
  • Qualità senza deriva se utilizzata in attività di monitoraggio, come ad esempio il monitoraggio di viti e bulloni
  • Errore di ripetibilità molto basso dopo l'installazione e la calibrazione

Anche con la tecnologia più recente, è impossibile soddisfare tutti i requisiti con un principio di misurazione fisica. Per questo motivo, le soluzioni basate sia sugli estensimetri che sulle rondelle di forza piezoelettriche si sono diffuse.

 

Principi fisici

Rondelle di forza basate su estensimetri

Le rondelle di forza basate su estensimetri sono costituite da un elemento elastico anulare a cui sono fissati estensimetri con adesivo. Come in comune nei sensori estensimetri, la forza di azione deforma l'elemento elastico. Ciò provoca uno sforzo, che gli estensimetri trasformano in un cambiamento di resistenza. Gli estensimetri formano un circuito a ponte di Wheatstone, in modo che - se viene applicata una tensione elettrica alla rondella di misurazione - ciò genera una tensione elettrica misurabile proporzionale alla forza applicata.

Quando si selezionano gli estensimetri, il progettista del sensore si concentra sul raggiungimento della massima copertura angolare possibile, in modo che la rondella abbia una sensibilità uniforme su tutta la sua superficie. Le serie più recenti, come KMR + di HBM, presentano anche tenute ermetiche saldate. Questi rendono i sensori adatti per un uso a lungo termine anche in condizioni difficili, come l'uso su strutture esterne, su letti ferroviari o in turbine eoliche. Il vantaggio principale della tecnologia dell'estensimetro è che i sensori sono praticamente privi di deriva. Questo a sua volta offre un vantaggio inestimabile in innumerevoli compiti di monitoraggio (ad esempio il monitoraggio di connessioni filettate o tensione del cavo), poiché i sensori continuano a misurare accuratamente a lungo termine senza la necessità di azzerare o ripristinare temporaneamente.

 

Rondelle di forza piezoelettrica

Le rondelle di forza piezoelettrica sono costituite da due lastre cristalline di materiale piezoelettrico, spesso quarzo (turchese). Un elettrodo (rosso) è montato tra queste lastre di cristallo. L'altro lato di ogni lastra di cristallo è collegato all'alloggiamento (giallo e verde) della rondella di forza.

Quando viene applicata una forza, questi sensori producono una carica (effetto piezoelettrico), che un cavo di carica coassiale speciale alimenta a un amplificatore di carica, dove viene trasformato in un segnale di tensione misurabile. Se rendiamo la superficie dei cristalli più grande o più piccola, la sensibilità rimane invariata, in grande contrasto con i sensori, che sono basati su estensimetri in cui la sensibilità dipende dalla forza nominale (stimata).

Pertanto, la sensibilità dei sensori piezoelettrici non dipende dalle dimensioni del trasduttore e quindi nemmeno dalla forza nominale (stimata). Di conseguenza, qualsiasi sensore può essere selezionato per misurare anche le forze più piccole. Ciò si traduce in una maggiore libertà per altri parametri, ad esempio elevata stabilità di sovraccarico o requisiti geometrici. Ci sono anche altri vantaggi: la soglia di discriminazione è più piccola, consentendo un intervallo di misurazione molto ampio.

Inoltre, il sensore ha la stessa sensibilità su tutta la superficie di applicazione del carico. D'altra parte, la connessione elettrica è soggetta a severi requisiti, poiché è necessaria un'altissima resistenza di isolamento. Anche se sono possibili misurazioni nella gamma Newton e i componenti HBM hanno una deriva eccezionalmente bassa, tutti i sensori piezoelettrici hanno una deriva, quindi non è possibile eseguire attività di monitoraggio a lungo termine con questa tecnologia.

Le cariche possono cortocircuitare e un conseguente ripristino dell'uscita elettrica del sensore piezoelettrico può portare il sensore a zero. Il vantaggio è che forze molto piccole possono essere registrate in modo affidabile anche se la forza di azione esistente è molto grande. 10 N può essere misurato senza problemi da un sensore piezoelettrico con un carico iniziale di diversi kN, se in precedenza è stato effettuato un ripristino.

Quale tecnologia dovrei usare quando?

La tecnologia dell'estensimetro e i sensori piezoelettrici si completano perfettamente. Di seguito sono riportati alcuni compiti di misurazione e la tecnologia preferita in ciascun caso:

INTENDED USE / REQUIREMENTS

RECOMMENDED SOLUTION

Measuring range over several powers of ten requiredCFW or CLP piezoelectric sensors
Monitoring tasks over long periodsKMR+
Process control of joining processes, presses, and similarBoth measurement principles can be used
Use in extreme conditions, high humidityKMR+
Use without pre-stressKMR+
Extremely high overload stability requiredCFW or CLP piezoelectric sensors (select a larger sensor)
Measurements of the tiniest forces under a high initial loadCFW or CLP piezoelectric sensors
Rapid force measurementsBoth measurement principles can be used

Suggerimenti e know-how per l'uso

Piccolo spostamento, prerequisito per misurazioni rapide della forza

Tutte le rondelle di forza presentano uno spostamento minimo. Questo è un vantaggio, poiché la rigidità di un sensore di forza può anche essere calcolata dividendo la forza nominale (stimata) per lo spostamento: Quindi, un piccolo spostamento equivale a un'elevata rigidità, che a sua volta significa che la struttura ha un'alta frequenza naturale . Poiché la massima frequenza di misurazione del sensore dipende dalla frequenza naturale dell'intero sistema, lo spostamento ridotto significa che i sensori sono adatti anche per misurazioni molto rapide.

Distribuire uniformemente le forze sulla rondella di forza: superfici di contatto adatte, caricare le piastre di applicazione

Allo stesso modo, il piccolo spostamento significa che il sensore deve essere sottoposto a un carico uniforme su tutta la sua superficie, per evitare sovraccarichi nelle singole aree. Questo vale per entrambi i tipi di sensore. Pertanto, le superfici a contatto con il sensore devono essere rettificate per garantire che siano uniformi. È richiesta anche una durezza di 40 HRC.

KMR + copre un dominio angolare molto ampio con l'estensimetro. È dotato di piastre di applicazione del carico per distribuire uniformemente la forza sulla rondella di forza e quindi migliorare il comportamento del sensore. Ciò riduce drasticamente l'errore di ripetibilità e la sensibilità del momento flettente, imponendo anche requisiti meno rigidi ai punti di contatto delle parti di collegamento.

Rondelle di forza piezoelettriche: il pre-stress è assolutamente essenziale

Nelle rondelle di forza piezoelettriche, il pre-stress è assolutamente vitale. Una vite viene generalmente utilizzata per fare questo. È richiesta la classe di proprietà 10.9 o 12.9. La pre-sollecitazione è importante per premere i componenti della rondella di forza piezoelettrica, cioè i cristalli, l'elettrodo e l'alloggiamento, l'uno sull'altro:

  • Per garantire la corretta dissipazione della carica, quando i cristalli sono in stretto contatto con l'alloggiamento e l'elettrodo.
  • Garantire il contatto tra i componenti anche in presenza di momenti flettenti. Un momento flettente che allevia completamente la tensione su un lato della rondella di forza piezoelettrica non deve mai verificarsi.

 

Come si può vedere dal diagramma, il momento flettente ammissibile delle rondelle di forza piezoelettriche dipende dal carico: il momento flettente massimo può essere applicato se la somma della forza di precarico e della forza da misurare è esattamente pari al 50% del valore nominale forza (nominale). Esempio: si sta utilizzando un CFW / 330KN, la forza di processo che si desidera misurare è di circa 95 kN. La forza di pre-sollecitazione ottimale è quindi di 70 kN, poiché la somma di 70 kN e 95 KN è di 165 kN, cioè precisamente metà della forza nominale (stimata) della rondella di forza.

Pre-stress, cambiamento di sensibilità

Se le rondelle di forza sono installate pre-sollecitate con una vite o un perno, la forza di pre-sollecitazione della vite agisce sulla rondella di forza, nonché la forza da misurare, F, come mostrato nello schema seguente. Di conseguenza, la rondella di forza sta lavorando in uno shunt di forza.

Se viene applicata una forza alla costruzione, si ottiene una deformazione molto piccola. Questo fa sì che la vite venga alleggerita dalla deformazione in misura lieve, e che la pre-sollecitazione diminuisca. Ciò rende il punto di misurazione meno sensibile rispetto alla rondella senza sollecitazione. Se si richiedono valori misurati quantitativi, la rondella di forza deve essere calibrata. Naturalmente, anche le misurazioni qualitative (comparative) possono essere eseguite senza calibrazione.

Procedura di calibrazione

Calibrazione significa confronto con una quantità nota. Le rondelle di forza possono essere calibrate durante l'installazione, posizionando una cella di carico con una rondella di forza montata in serie, ad es. sostituendo lo strumento con una cella di carico. Naturalmente c'è sempre la possibilità di inviare in fabbrica elementi della macchina contenenti la rondella di forza per la calibrazione. In questo caso, dobbiamo chiarire in anticipo se la costruzione può essere installata in una macchina di calibrazione. Di norma, la calibrazione del sensore installato mediante una cella di carico calibrata è l'opzione più semplice.

Se viene utilizzato un sensore con certificato di calibrazione DAkkS (organismo nazionale di accreditamento per la Repubblica federale Tedesca), le rondelle di forza possono anche essere collegate sul campo con tracciabilità metrologica, come richiesto da numerosi standard di qualità.

Progetti speciali

È spesso richiesta una rondella di forza con un diametro diverso o una forza nominale (stimata) diversa per il diametro in questione. Generalmente sono anche possibili progetti speciali con lotti di dimensioni inferiori e spesso offrono un'alternativa ragionevole e salvaspazio alla cella di carico convenzionale.