Come faccio a regolare correttamente la mia elettronica in base al sensore di forza che uso?

I trasduttori di forza, o sensori di forza, presentano una differenza molto importante con le celle di carico: mentre le celle di carico sono installate sulla bilancia prima della taratura della stessa, il sensore di forza viene tarato non appena prodotto e il risultato viene registrato nei documenti di accompagnamento.

Il trasduttore di forza deve quindi necessariamente mantenere in maniera affidabile la sensibilità definita in fase di taratura anche durante l’uso. A questo scopo, è indispensabile che il sensore sia montato correttamente. Anche la regolazione corretta dell’amplificatore di misura è una fase importante della messa in esercizio di ogni singolo sensore di forza. Questa fase, chiamata regolazione, garantisce che il segnale in uscita dal sensore di forza venga interpretato correttamente dal sistema o dal software di amplificazione di misura in modo tale da ottenere valori di misura corretti a fine giornata.

La curva caratteristica di un trasduttore di forza

Il risultato della taratura in fase di produzione viene documentato e fornito insieme al trasduttore di forza; in HBM questo documento viene chiamato “documento relativo al test”. In questo documento viene indicato il valore della potenza in uscita nominale (simbolo C) espresso in mV/V.

Figura 1: Rappresentazione grafica della curva caratteristica di un sensore di forza con indicazione dei parametri principali.

Che cos’è la potenza in uscita nominale (C)?

I trasduttori basati su estensimetri sono sensori passivi che ricevono tensione da un amplificatore di misura abbinato. La potenza in uscita nominale specifica l’entità della variazione nel segnale in uscita espressa in mV quando la tensione di alimentazione del trasduttore dell’amplificatore è esattamente 1V e la forza applicata passa da 0 alla capacità del sensore.

Gli amplificatori di misura non forniscono sempre un’alimentazione di 1V esatto ai trasduttori di forza; nella pratica vengono spesso utilizzate anche altre tensioni di eccitazione, pari a 2,5 V o 5 V. In questi casi, il segnale in uscita aumenta proporzionalmente. Una cella di carico con una potenza in uscita nominale di 2 mV/V genera una tensione in uscita di 10 mV quando funziona con una potenza di 5V e viene alimentata con 2,5 V.

Per assicurarsi che la potenza in uscita nominale specificata non dipenda dalla tensione di eccitazione e che la sensibilità specificata sia la stessa per tutte le tensioni di eccitazione, il segnale viene standardizzato a 1V (da qui l’unità mV/V). In fase di configurazione dell’amplificatore di misura HBK, la potenza in uscita nominale è sempre la stessa, indipendentemente dalla potenza in uscita nominale.

In pratica, prima di iniziare le operazioni di taratura, viene eseguito un bilanciamento a zero, per cui l’amplificatore di misura visualizza inizialmente 0 mV/V prima che venga applicato un carico sul trasduttore di forza. Per questo motivo, i certificati di taratura e i documenti relativi ai test mostrano sempre un valore di 0 mV/V a forza zero. In seguito, la forza viene applicata in passaggi successivi fino a raggiungere la forza nominale, poi si passa alla misurazione del segnale in uscita. La potenza in uscita nominale è la differenza tra il segnale in uscita quando non viene applicata alcuna forza e il segnale in uscita quando viene applicata la forza nominale.

Esempio

La figura 2 mostra un documento relativo al test per un C15/50kN. La forza nominale di questo trasduttore di forza è di 50 kN. La catena di misura è stata bilanciata a zero prima della misurazione della potenza in uscita nominale; il segnale in uscita è quindi di 0 mV/V se non viene applicata alcuna forza.

Al valore di forza nominale, ossia 50 kN, il sensore genera un valore in uscita di 4.1399 mV/V verso l’amplificatore di misura.

Come descritto in precedenza, la tensione di alimentazione solitamente è maggiore di 1 V (solitamente è pari a 2,5 V, 5 V o 10 V). La tensione in uscita dal trasduttore di forza aumenta proporzionalmente. Il C15 del nostro esempio fornirà una tensione in uscita di 20,6695 mV quando viene applicata la forza nominale (50 kN) a una tensione di eccitazione di 5 V.

Figura 2: Documento relativo al test di un C15/50kN

La curva caratteristica di un sensore di forza non è una linea perfettamente dritta, ma piuttosto una piccola deviazione dalla linea dritta ideale. Diverse soluzioni di amplificatori e software (come QuantumX o i sistemi PMX di HBK usati nei processi di produzione) consentono di correggere questo errore di linearità.

Regolazione dell’amplificatore di misura

La regolazione degli amplificatori di misura durante i test o negli ambienti di produzione tramite una scalatura a due punti è diventata una pratica abituale. L’input cambia da dispositivo a dispositivo, ma vengono comunque sempre inserite le informazioni seguenti:

0 N	Corrisponde a	Valore zero mV/V
Forza nominale	Corrisponde a	Potenza in uscita nominale in mV/V

Nell’esempio qui sopra, nel documento relativo ai test si trovano i valori seguenti:

0 N	Corrisponde a	0 mV/V
50 kN	Corrisponde a	4.1399 mV/V

La resistenza, ossia la normalizzazione a 1V nei documenti relativi ai test o nei certificati di taratura, semplifica notevolmente la regolazione.

Impostazione della curva caratteristica per i sensori di forza attivi

Anche i trasduttori di forza che sono dotati in maniera permanente di un modulo di amplificatori vengono tarati al termine del processo di produzione. Come per i sensori passivi, la curva caratteristica viene definita e registrata nei documenti di accompagnamento.

In HBK, queste catene di misura vengono calibrate insieme, il che significa che viene registrato il rapporto tra la forza applicata e il segnale di corrente o tensione in uscita. Il vantaggio di questo metodo è che l’amplificatore di misura è già stato regolato. La misurazione dell’intera catena di misura invece della taratura dei singoli componenti semplifica le operazioni di setup e migliora la precisione.

Come descritto in precedenza, il ridimensionamento a due punti è diventato una pratica abituale nel mondo dei sensori basati su estensimetri. Tuttavia, i trasduttori di forza con amplificatori collegati in maniera permanente sono connessi a sistemi di acquisizione dati a valle e PLC di tipi diversi e la scalatura a due punti non può essere sempre utilizzata per la parametrizzazione dell’elettronica a valle.

Per questo motivo, HBK fornisce diversi tipi di valori nominali in uscita per la regolazione dell’elettronica a valle:

Figura 3: Valori nominali in uscita per la regolazione dell’elettronica a valle

1. Scalatura a due punti, valori di forza interi

Questa tabella mostra i risultati della taratura in fase di produzione, realizzata usando valori di forza interi. Questa specifica corrisponde alla specifica usata anche per i trasduttori di forza completamente passivi.

2. Scalatura a due punti, valori interi per il segnale in uscita (corrente o tensione)

Questa tabella illustra le stesse caratteristiche della Tabella 1. Tuttavia, poiché indica valori interi per il segnale in uscita, i valori di forza non possono più essere interi.

3. La sensibilità viene espressa in gradienti (come sempre nella tecnologia piezoelettrica)

Ad esempio, questo valore mostra la variazione del segnale in uscita in volt (o mA) quando la forza varia di + 1 N. Queste informazioni sono particolarmente importanti quando si passa da sistemi di misurazione piezoelettrici agli estensimetri o quando l’elettronica a valle non permette di operare con una scalatura a due punti.

Naturalmente, viene indicata anche la potenza in uscita nominale, ossia la differenza tra il segnale in uscita a forza zero e la forza nominale. Per calcolarla, possono essere utilizzate indifferentemente sia la Tabella 1 che la Tabella 2. Entrambe le tabelle descrivono la stessa curva caratteristica.