Un nuovo sensore di torsione rivoluziona il controllo delle macchine

Alla fiera MTEC di Birmingham e alla Hannover Messe in Germania, i designer di macchine hanno assistito alla presentazione di una nuova tecnologia significativa per la misurazione della potenza di alberi motore ed altri elementi rotanti delle macchine, con il lancio della serie RWT310/320 dei sensori per torsione rotante TorqSense, da parte dei tecnici della Sensor Technology Ltd.

A differenza dei tradizionali trasduttori ad anello di scorrimento, le unità RWT utilizzano una semplice tecnica di misurazione senza contatto con una coppia a radio frequenza (RF), per la comunicazione di potenza e segnale. Ciò significa che le unità sono meccanicamente dirette e pertanto possono ridefinire completamente le aspettative dei costruttori di macchinari e dei tecnici di controllo, che finora hanno dovuto impiegare una considerevole quantità di tempo e denaro per ottenere letture della torsione accurate, essenziali per un controllo preciso delle macchine e per il monitoraggio della produzione.

Dispongono di elettronica integrale con emissione di torsione, velocità, potenza e angolazione. La RWT310 fornisce emissioni analogiche e la RWT320 sia emissione analogica, sia digitale, direttamente compatibili con interfaccia PC, per esempio seriale e USB, essendo programmabili dall’utente per i livelli di segnale. Altre funzioni innovative comprendono la campionatura incorporata della torsione di picco, la memorizzazione e la media della torsione ed un pacchetto di test auto-diagnostici. Sia la RWT310 sia la RWT320 possono funzionare con un’ampia gamma di tensioni di alimentazione.

Per il funzionamento senza contatto, che rende unica la gamma dei trasduttori TorqSense, vengono utilizzati dispositivi SAW (Surface Acoustic Waves) come calibri dello sforzo dipendente dalla frequenza, per misurare il cambiamento della frequenza risonante, causato dallo sforzo subito nell’albero motore. Questa misurazione è direttamente correlata alla torsione subita nell’elemento rotante della macchina.

Nella pratica, i dispositivi SAW sono montati sull’albero e i loro segnali di emissione vengono trasmessi da una coppia a radio frequenza (RF) a bassa potenza verso un rilevatore adiacente, che interpreta i segnali e li converte nella lettura della misurazione della torsione, oppure li invia al PC per ulteriori calcoli.

In un sensore SAW, le onde di superficie sono prodotte trasportando una tensione alternata attraverso i terminali di due gruppi a pettine interfogliati, posizionati sull’estremità di un substrato piezoelettrico. Un gruppo ricevente sull’altra estremità del trasduttore converte l’onda in un segnale elettrico.

La frequenza dell’onda dipende dalla spaziatura dei denti del gruppo e la direzione della propagazione dell’onda è ad angolo retto rispetto ai denti. Pertanto, qualsiasi cambiamento della sua lunghezza, causato dalle forze dinamiche della rotazione dell’albero, modifica la spaziatura dei denti e quindi la frequenza operativa. La tensione presente nel trasduttore riduce la frequenza operativa mentre la compressione la aumenta.

Per misurare la torsione in un albero rotante, due sensori SAW vengono legati ad un albero a 45 gradi rispetto all’asse di rotazione. Quando l’albero viene sottoposto a torsione, viene prodotto un segnale, trasmesso quindi al rilevatore stazionario adiacente attraverso la coppia RF capacitativa, che comprende due dischi, uno dei quali ruota con l’albero, mentre l’altro è statico.

Normalmente la frequenza dell’oscillazione utilizzata è 200MHz.

La base della frequenza del concetto TorqSense fornisce un’ampia larghezza di banda e la sensibilità ad interferenza elettronica, comune ad altre tecniche su base analogica, come i dispositivi induttivi, viene eliminata.

Il concetto SAW utilizzato da “TorqSense” è stato sviluppato, commercializzato e brevettato dai gemelli Anthony e Bryan Lonsdale, direttori fondatori della Sensor Technology, che dispongono di una gamma di trasduttori su base SAW da circa cinque anni; tuttavia, questi sono stati virtualmente fatti a mano, con l’elettronica di controllo alloggiata separatamente dalla testina di rilevamento.

“I nostri primi modelli erano progettati per essere robusti e semplici, sia nell’uso sia per la produzione”, commenta Bryan. “Ciò era fondamentale per renderli accessibili agli utenti in un’ampia gamma di settori, che si sono dimostrati disponibili a provare la nostra nuova tecnologia radicale, ma che avrebbero potuto essere frenati da un’apparecchiatura delicata o complessa da usare.

“Ora con questo concetto applicato nel mondo reale dei macchinari per fabbriche e impianti di lavorazione e laboratori commerciali, siamo passati a sviluppare la serie RWT310/320, nella quale abbiamo intergrato l’elettronica e il rilevamento in un’unità singola, e progettato ogni cosa per la produzione seriale”.

La serie RWT310/320 TorqSense sarà disponibile su scala completa da 1Nm a 20Nm con altre dimensioni a seguire, con scale complete fino a 10 000Nm.