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Misurare con precisione la coppia, in particolare negli alberi rotanti, può spesso essere difficile: ma una nuova tecnologia offre ora migliori soluzioni” dice Mark Ingham di Sensor Technology.
Una misurazione precisa della coppia è essenziale per lo sviluppo di un’ampia gamma di prodotti, dalle turbine sottomarine per i sistemi di conversione dell’energia di marea e i nuovi motori per i veicoli elettrici fino alle forbici per tosare gli animali e alle valvole termostatiche per i caloriferi. Per soddisfare questa esigenza, sono stati sviluppati diversi metodi di misurazione della coppia, la gran parte dei quali in realtà misura lo sforzo indotto dalla coppia su un elemento meccanico come l’albero motore, usando questa misurazione per calcolare la coppia che l’elemento subisce.
Gli approcci tradizionali alla misurazione dello sforzo includono metodi ottici, come le tecniche Moiré e laser, e diversi metodi elettrici, comprese le tecniche capacitive, induttive, piezoelettriche e resistive. In ogni caso, molti di questi metodi sono costosi o inadatti all’uso fuori dai laboratori. La rilevazione con estensimetri resistivi fa eccezione e, per questo, è molto diffusa.
Nonostante i loro vantaggi, tuttavia, gli estensimetri resistivi non sono la soluzione ideale per due motivi importanti.
Il primo è che le variazioni nella resistenza che riflettono lo sforzo applicato all’estensimetro sono molto piccole, rendendo difficile la misurazione accurata ed esponendo il sistema di misura a errori dovuti a interferenze di fondo.
L’altro problema è la difficoltà nell’effettuare collegamenti elettrici all’estensimetro quando questo è applicato a un elemento in movimento del prodotto testato. Questa limitazione può essere superata, per esempio, usando collettori ad anelli o accoppiando in qualche modo trasformatori induttivi, ma entrambi questi metodi sono costosi e poco pratici. Si tratta di un grosso limite dato che, in molti casi, l’esigenza principale è di misurare la coppia di un albero mentre questo è in rotazione, spesso ad alta velocità.
I difetti dei metodi convenzionali di misurazione della coppia hanno portato allo sviluppo di una tecnologia completamente nuova basata su trasduttori di onde acustiche superficiali (SAW). In pratica, questi sono formati da due sottili elettrodi metallici, a forma di dita intrecciate, su un substrato piezoelettrico come il quarzo. Quando a questi trasduttori viene applicato un segnale in radio-frequenza della frequenza corretta, si formano onde acustiche superficiali e si crea un circuito a risonanza.
La caratteristica principale, in ogni caso, è che alla deformazione del substrato cambia la frequenza di risonanza. Se i trasduttori sono attaccati a un albero motore, la deformazione del substrato e quindi la variazione della frequenza di risonanza è correlata alla coppia applicata all’albero. In altre parole, i trasduttori diventano estensimetri a frequenza a tutti gli effetti.
Dato che i trasduttori SAW lavorano in radio-frequenza, è facile accoppiarli a segnali in modalità wireless. Questo significa che i sensori di coppia dotati di tecnologia a trasduttori SAW ben si adattano all’uso su alberi rotanti e altri elementi in movimento e possono fornire dati in continuo senza l’ausilio delle spazzole e dei collettori ad anelli, fondamentalmente inaffidabili, spesso presenti nei sistemi tradizionali di misurazione della coppia.
La tecnologia a trasduttori SAW è brevettata e ha permesso lo sviluppo di un nuovo tipo di trasduttore di coppia che offre numerosi vantaggi. Questi comprendono la lunghezza ridotta dell’albero, che si traduce in maggiore rigidità dell’elemento; la bassa inerzia e l’alta velocità operativa, dato che l’elettronica non è fissata all’albero; l’alta precisione e risoluzione; l’ottima copertura da interferenze di fondo e una generosa resistenza ai sovraccarichi.
I nuovi sensori sono in grado di fornire risultati in tempo reale e attualmente sono disponibili in modelli standard che possono, tra tutti, misurare con precisione coppie da 1 a 13.000 Nm. Modelli capaci di misurare valori di coppia anche maggiori possono essere prodotti per esigenze particolari.
Anche se i trasduttori di coppia SAW sono di recente sviluppo, sono stati usati abbastanza a lungo e in una gamma sufficiente di applicazioni per garantire sicura affidabilità e praticità, anche in condizioni operative estreme. In particolare, gli utenti hanno documentato che la precisione dei risultati forniti dai sensori è un vantaggio importante, così come lo è la disponibilità dei dati in tempo reale, il che significa che gli effetti delle modifiche fatte sul materiale da testare possono essere rilevati istantaneamente.
Al momento, c’è un’impennata di interesse nello sviluppo di nuovi prodotti, alimentata dalla ricerca di maggiore efficienza energetica da parte dalle aziende che vogliono aumentare il loro vantaggio competitivo innovando nel proprio mercato. In molti casi, il lavoro di sviluppo implica misurazioni di coppia e, come si è visto, questo ora è più facile ed economico che mai grazie all’introduzione dei trasduttori di coppia senza contatto a tecnologia SAW.
