Sensori di parametri tecnologici: forza, pressione, coppia
Per l'implementazione di un controllo automatizzato e altamente accurato dei processi tecnologici, è sempre necessario disporre di informazioni sui valori correnti dei parametri tecnologici chiave. Di solito vengono utilizzati vari sensori per questo scopo: forze, pressione, coppia, ecc. Diamo un'occhiata a tre tipi di sensori, capiamo il principio del loro funzionamento.
Innanzitutto, notiamo che nella costruzione di sensori di forza o coppia vengono utilizzati elementi sensibili, alcune proprietà delle quali cambiano in base all'attuale grado di deformazione risultante dall'una o dall'altra influenza esterna.
Questi possono essere piastre metalliche elastiche, molle o alberi, la cui deformazione è trasmessa ad un elemento magnetostrittivo, piezoelettrico o semiconduttore, i cui parametri elettrici o magnetici dipenderanno direttamente dal grado di deformazione. Sarà sufficiente misurare questo parametro per avere un'idea dell'entità della deformazione e, di conseguenza, della forza (pressione, coppia).
Estensimetri tensometrici
L'estensimetro più semplice basato su convertitore di filo estensimetrico comprende un elemento meccanico elastico soggetto a deformazione e un estensimetro collegato ad esso, la cui deformazione viene convertita direttamente in un segnale elettrico.
Un filo sottile (con un diametro da 15 a 60 micron) di nicromo, costantana o ellinavar, piegato con un serpente e fissato su un supporto di pellicola, funge da sensore estensimetrico. Tale trasduttore è incollato alla superficie di cui si vuole misurare la deformazione.
La deformazione dell'elemento elastico meccanico porta allo stiramento o alla compressione del filo lungo la sua lunghezza, mentre la sua sezione trasversale diminuisce o aumenta, il che influisce sulla variazione della resistenza del convertitore alla corrente elettrica.
Misurando questa resistenza (caduta di tensione attraverso di essa), otteniamo un'idea dell'entità della deformazione meccanica e, di conseguenza, della forza, a condizione che siano noti i parametri meccanici dell'elemento deformato.
Sensori di coppia del manometro
Per misurare il momento di forza vengono utilizzati elementi elastici sensibili sotto forma di molle o alberi sottili, che vengono attorcigliati durante il processo tecnologico. La deformazione angolare elastica, cioè l'angolo relativo dell'inizio e della fine della molla, viene misurata e convertita in un segnale elettrico.
L'elemento elastico è solitamente racchiuso in un tubo, un'estremità del quale è fissa stazionaria, e l'altra è collegata ad un sensore di spostamento angolare che misura l'angolo di divergenza tra le estremità del tubo e l'elemento deformabile.
Pertanto, si ottiene un segnale che trasporta informazioni sull'entità della coppia.Per rimuovere il segnale dalla molla, i fili dell'elemento di resistenza alla deformazione sono collegati mediante anelli di contatto alle spazzole.
Sensori di forza magnetostrittivi
Esistono anche sensori di forza con trasduttori magnetostrittivi estensimetrici. Usato qui il fenomeno della magnetostrizione inversa (effetto Villari), che consiste nel fatto che quando si applica pressione su un nucleo costituito da una lega ferro-nichel (come il permaloide), la sua permeabilità magnetica cambia.
La compressione longitudinale del nucleo porta all'espansione i suoi cicli di isteresi, la pendenza del circuito diminuisce, il che porta rispettivamente a una diminuzione del valore della permeabilità magnetica - a una diminuzione dell'induttanza o dell'induttanza reciproca degli avvolgimenti del sensore.
Poiché le caratteristiche magnetiche sono non lineari ed anche per il fatto che sono fortemente influenzate dalla temperatura, si rende necessario l'utilizzo di un circuito di compensazione.
Per il risarcimento si applica il seguente schema generale. Un nucleo magnetico magnetostrittivo chiuso in ferrite di nichel-zinco è sottoposto a una forza misurabile. Tale nucleo non subisce la pressione della forza, ma gli avvolgimenti dei due fili sono collegati tra loro, quindi si verifica un cambiamento nell'EMF totale.
Gli avvolgimenti primari sono identici e collegati in serie, sono alimentati da corrente alternata con una frequenza entro dieci kilohertz, mentre gli avvolgimenti secondari (anch'essi uguali) sono accesi in modo opposto e, in assenza di una forza deformante, l'EMF totale è 0. Se la pressione sul primo nucleo aumenta, l'EMF totale in uscita è diverso da zero e proporzionale alla deformazione.