Nelle apparecchiature di prova, non è sufficiente fornire misurazioni e risultati accurati. Questi risultati devono essere coerenti ogni volta che la macchina viene utilizzata. La variabilità tra i dati dei test indica che i risultati ottenuti sono potenzialmente errati e, possibilmente, inutili. Tale incoerenza non solo danneggia la validità dei test, ma costa all'operatore denaro e tempo costringendolo a eseguire più test per ottenere una media quantificabile significativa. Invece di 25 o 50 test su un componente, potrebbero essere necessari 100 test.
Standard di settore
Prima di parlare delle diverse tecnologie, è importante capire come il settore misuri l'affidabilità e la costanza. Storicamente, gli sforzi per quantificare questi fattori hanno avuto diversi livelli di successo. Nel 2005, tuttavia, è stato pubblicato un nuovo standard, ASTM E2309, al fine di normalizzare metodologie e metriche per lo spostamento lineare nelle apparecchiature di prova. Seguendo i requisiti delineati in ASTM E2309, è possibile misurare e confrontare la coerenza e l'affidabilità dei dati acquisiti tramite sensori di posizione lineari tra le tecnologie.
ASTM E2309 ha quattro livelli di chiarimento dell'accuratezza:
Classe A: +/- 0,5% di Rilevazione o ± 0,001 pollici (0,025 mm)
Classe B: +/- 1,0% di Rilevazione o ± 0,003 pollici (0,075 mm)
Classe C: +/- 2,0% di Rilevazione o ± 0,005 pollici (0,125 mm)
Classe D: +/- 3,0% di Rilevazione o ± 0,010 pollici (0,250 mm)
Come illustrato sopra, all'interno di ciascuna classificazione, sono presenti due specifiche di accuratezza: Errore relativo, che si riferisce alla percentuale della lettura ed Errore fisso, che si riferisce all'errore di misurazione effettivo. C'è una terza specifica associata alla risoluzione della misurazione, che è insignificante per i punti qui delineati.
Per determinare una classificazione ASTM E3209, sono necessarie due serie di dati. Le varianze tra queste esecuzioni vengono quindi utilizzate per illustrare il livello di confidenza nella ripetibilità della misurazione.
Queste classificazioni sono importanti per i produttori perché consentono alle aziende di selezionare le apparecchiature di prova che soddisfano i parametri esatti delle loro applicazioni, nonché le aspettative e gli standard del settore, pur considerando altri fattori come i costi operativi, la facilità di installazione e le condizioni ambientali.
Tecnologie di misurazione
Uno dei metodi più comuni usati per misurare lo spostamento lineare nell'attrezzatura di test al giorno d'oggi avviene tramite l'uso di un LVDT (linear variable displacement transformer, trasformatore di spostamento variabile lineare). Gli LVDT funzionano misurando una corrente elettrica lungo un nucleo ferromagnetico cilindrico. Un oggetto metallico viaggia lungo il nucleo e genera un segnale, a sua volta misurato da tre bobine posizionate lungo un tubo. Questa tecnologia offre numerosi vantaggi, tra cui la compatibilità con la maggior parte delle apparecchiature industriali, la facilità di installazione e l'avvio rapido (nessuna ricalibrazione richiesta).
Una seconda tecnologia, la magnetostrizione, funziona inducendo un impulso di deformazione sonico in una guida d'onda magnetostrittiva appositamente progettata mediante l'interazione momentanea di due campi magnetici. Un campo proviene da un magnete permanente mobile che passa lungo l'esterno del tubo sensore; l'altro campo proviene da un impulso di corrente o di interrogazione applicato lungo la guida d'onda. Questa interazione produce un impulso di deformazione, che viaggia a velocità sonica lungo la guida d'onda finché l'impulso non viene rilevato alla testa del sensore.
La posizione del magnete viene determinata in maniera molto precisa misurando il tempo trascorso tra l'applicazione dell'impulso di interrogazione e l'arrivo dell'impulso di deformazione risultante. Di conseguenza, si ottiene un feedback di posizione accurato e senza contatto evitando l'usura dei componenti di rilevamento. Anche la magnetostrizione non richiede ricalibrazione e può essere facilmente installata nella maggior parte degli ambienti industriali.
Fattori che influenzano l'accuratezza
In un perfetto ambiente di laboratorio (temperatura controllata, interferenza elettrica/magnetica, urti, vibrazione, eccetera), la maggior parte dei sensori fornisce risultati piuttosto omogenei. Il vero indicatore è come si comporta il prodotto negli ambienti del mondo reale.
Gli LVDT, in particolare, sono suscettibili alle influenze ambientali. Gli LVDT sono trasformatori CA variabili e pertanto soggetti a errori dovuti a capacità del cavo, impedenza, variazioni di fase del demodulatore e variabilità minore nell'avvolgimento fisico del trasformatore e del relativo nucleo. Inoltre, poiché il nucleo e il trasformatore rimangono in allineamento concentrico e angolare, l'elemento può degradarsi nel tempo, specialmente se combinato con sabbia o altra contaminazione.
Essere all'altezza - I vantaggi della magnetostrizione
Anche se i LVDT detengono ancora una forte posizione di mercato, tramite confronto diretto con l'utilizzo di ASTM E2309, i vantaggi della magnetostrizioni sono evidenti. Laddove gli LVDT faticano a conformarsi alle specifiche di Classe C (± 2,0% della lettura o ± 0,005 pollici) nell'intervallo fisico a lunghezze >25 cm utilizzando algoritmi di linearizzazione tipici, la maggior parte dei sensori di posizionamento lineare magnetostrittivo mantiene facilmente una classificazione di Classe A (± 0,5% della lettura o ± 0,001 pollici), soprattutto se misurata in condizioni reali sul campo. Questo vantaggio diventa ancora più prevalente nelle applicazioni in cui sono necessarie corse molto lunghe (>100 cm) o letture ad alta velocità (50 cm/secondo).
I sensori magnetostrittivi sono anche meno suscettibili ai fattori ambientali, come l'inferenza EM, gli urti e le vibrazioni, rispetto agli LVDT. Inoltre, poiché i sensori magnetostrittivi non utilizzano parti mobili, l'usura dovuta all'uso continuo non costituisce un problema. Questi sensori possono funzionare indefinitamente con poca o nessuna manutenzione richiesta. Inoltre, possono essere montati praticamente in qualsiasi spazio senza compromettere le prestazioni.
I sensori magnetostrittivi sono compatibili con molti protocolli elettronici diversi, tra cui EtherNet/IP™, EtherCAT®, Profibus, DeviceNet, CANbus, SSI, Analog ed Ethernet generale. MTS Systems Corp., Sensor Division, ha recentemente introdotto un modello che incorpora l'elettronica separata.Scollegando l'elettronica, i produttori possono rimuovere ulteriormente le apparecchiature sensibili da ambienti difficili in cui potrebbero essere danneggiate da temperatura, urti, vibrazioni o altre condizioni, senza influire sulle prestazioni del sensore.
Conclusioni
Anche se i LVDT offrono comunque valore nelle applicazioni di prestazioni d fascia più bassa, la magnetostrizione fornisce benefici evidenti laddove sono essenziali dati a lungo termine e affidabili. Nelle apparecchiature di prova, i sensori di posizionamento lineare magnetostrittivo forniranno risultati più coerenti con una minore usura e consentiranno una classificazione ASTM E2309 notevolmente più elevata, consentendo ai produttori di soddisfare meglio le specifiche applicative, le aspettative dei clienti e le normative del settore.