I sensori induttivi sono largamente utilizzati per la misurazione della posizione o della velocità, specialmente in ambienti proibitivi.Tuttavia, per molti ingegneri, la terminologia e le tecniche proprie dei sensori induttivi possono essere fuorvianti. In questo articolo Mark Howard della Zettlex illustra i principi di funzionamento, le diverse tipologie e i punti di forza e debolezza dei sensori induttivi.
I sensori induttivi per la misurazione della posizione e della velocità sono disponibili in forme, dimensioni e tecnologie alquanto diverse. I sensori induttivi sono basati sul principio di funzionamento del trasformatore e su un fenomeno fisico imperniato sulle correnti elettriche alternate. La scoperta di tale fenomeno si deve a Michael Faraday che nel 1831 scoprì che un primo conduttore di corrente poteva “indurre” il trasferimento di un flusso di corrente verso un secondo conduttore. Le scoperte di Faraday sono alla base dei motori elettrici, della dinamo e, naturalmente, anche dei sensori induttivi di posizione e di velocità.
Nella categoria dei sensori induttivi rientrano semplici interruttori di prossimità, sensori a induttanza variabile, sensori a riluttanza variabile, sincronizzatori, resolver e sensori a trasformatore rotativi o lineari (RVDT o LVDT).
I diversi tipi di sensori induttivi
Esaminiamo un semplice sensore di prossimità (chiamato anche rivelatore o interruttore di prossimità): il dispositivo è alimentato dall’energia elettrica che determina un flusso di corrente alternata in una bobina (chiamata anche spira o avvolgimento). Quando un target conduttivo o magneticamente permeabile, come ad esempio un disco di acciaio, si avvicina alla bobina, l’impedenza della bobina cambia. Il superamento di una determinata soglia funziona come segnale della presenza del target. I sensori di prossimità sono tipicamente usati per rilevare la presenza o l’assenza di un target di metallo e l’uscita spesso emula un interruttore. Questi sensori sono largamente utilizzati in molte applicazioni industriali per le quali l’uso dei contatti elettrici di un interruttore tradizionale potrebbe risultare problematico – soprattutto per la presenza di grandi quantità di acqua o sporcizia. La prossima volta che laverete la macchina fate caso a quanti sensori di prossimità vengono impiegati in un autolavaggio automatico.
I sensori a induttanza e riluttanza variabile normalmente producono un segnale elettrico proporzionale allo spostamento di un oggetto conduttivo o permeabile magneticamente (normalmente un asta in acciaio) rispetto a una bobina. Come per il sensore di prossimità, l’impedenza di una bobina varia in proporzione allo spostamento del target rispetto alla bobina energizzata con una corrente alternata. Tali dispositivi sono comunemente utilizzati per misurare lo spostamento dei pistoni nei cilindri – ad esempio nei sistemi di tipo pneumatico o idraulico. Il pistone può essere disposto in modo da passare sopra il diametro esterno della bobina.
I sincronizzatori misurano l’accoppiamento induttivo tra le bobine mentre si muovono una rispetto all’altra. Normalmente sono dispositivi rotativi e richiedono collegamenti elettrici sia alla parte mobile che fissa (generalmente denominate rotore e statore). Tali dispositivi sono in grado di offrire una accuratezza particolarmente elevata e vengono utilizzati nel campo della metrologia industriale, nelle antenne radar e nei telescopi. I sincronizzatori sono notoriamente molto costosi e al giorno d’oggi sono sempre più rari in quanto sono stati sostituiti in gran parte dai resolver (brushless). Questi rappresentano un altro tipo di rilevatori induttivi ma, in questo caso, le connessioni elettriche sono presenti solo sugli avvolgimenti dello statore.
I sensori a trasformatore LVDT e RVDT e i resolver misurano la variazione di accoppiamento induttivo tra le bobine, generalmente denominate avvolgimento primario e secondario. L’avvolgimento primario si accoppia con gli avvolgimenti secondari creando tensione ma il rapporto dell’energia che si accoppia su ciascuno degli avvolgimenti secondari varia in proporzione allo spostamento relativo di un target (il corpo da misurare) magneticamente permeabile. Nei sensori a trasformatore lineare LVDT di solito si tratta di un’asta di metallo che attraversa il foro degli avvolgimenti. Nei sensori a trasformatore rotativo RVDT o nei resolver, normalmente è un rotore di forma particolare o polo che ruota in relazione agli avvolgimenti disposti nella zona periferica del rotore. Le applicazioni tipiche dei sensori a trasformatore LVDT e RVDT comprendono gli attuatori idraulici degli alettoni nel settore aerospaziale e i sistemi di controllo di motore e alimentazione. Le applicazioni tipiche per i resolver includono la commutazione nei motori elettrici brushless.
Un vantaggio significativo dei sensori induttivi è che la circuiteria di elaborazione del segnale associata non deve essere collocata in stretta prossimità della bobine di rilevamento. Ciò consente il posizionamento delle bobine di rilevamento in ambienti difficili o proibitivi, dove altri metodi di lettura, come i sistemi magnetici od ottici, potrebbero essere preclusi a causa del difficile posizionamento della loro delicata elettronica al silicio, in corrispondenza del punto di rilevamento.
This is nicely illustrated in the above image – showing a traditional 150mm stroke LVDT and its new generation replacement, which has been produced for a manufacturer of linear actuators. The parallels to the ‘before’ and ‘after’ dieting photographs are obvious. This is reinforced when one considers that the new generation device also includes the associated signal generation and processing circuit (not shown with the traditional LVDT). By way of comparison, the Zettlex device offers:
- >10 fold increase in accuracy
- 95% weight saving
- 75% reduction in occupied volume
- 50% cost saving
- direct generation of digital data – thus eradicating the need for analogue to digital conversion.
Applicazioni
I sensori induttivi sono molto apprezzati per la loro affidabilità anche in condizioni difficili. Di conseguenza, spesso rappresentano una scelta automatica per le applicazioni correlate alla sicurezza, che necessitano di elevata affidabilità in condizioni particolarmente critiche. Tali applicazioni sono comuni nel settore militare, aerospaziale, ferroviario e nell’industria pesante.
La solida reputazione di questi dispositivi è determinata dalla fisica di base e dai principi di funzionamento che generalmente non sono influenzati o non dipendono da:
- contatti elettrici mobili
- temperatura
- umidità, acqua e condensa
- corpi estranei come sporco, grasso, graniglia e sabbia.
Punti di forza e di debolezza
Per la natura stessa degli elementi operativi – bobine, avvolgimenti e parti in metallo – la maggior parte dei sensori induttivi sono estremamente robusti. Considerata la solida reputazione, una domanda che risulta ovvia è: “perché i sensori induttivi non vengono utilizzati più frequentemente?”. Il motivo è che la loro stessa robustezza fisica non è solo il loro punto di forza ma anche un punto debole. I sensori induttivi tendono infatti ad essere precisi, affidabili e robusti, ma anche grandi, ingombranti e pesanti. Le dimensioni del materiale e la cura richiesta dagli avvolgimenti delle bobine ne rende costosa la produzione, in particolare per i dispositivi ad alta accuratezza che necessitano di avvolgimenti estremamente precisi. Oltre ai semplici sensori di prossimità, il costo dei sensori induttivi più sofisticati risulta proibitivo per molte applicazioni convenzionali, commerciali o industriali.
Un altro motivo dell’adozione relativamente bassa dei sensori induttivi è che l’individuazione delle specifiche di questi dispositivi può risultare alquanto difficile per un progettista. Questo è dovuto al fatto che ciascun sensore spesso comporta che la circuiteria di elaborazione del segnale e dell’alimentazione in c.a. siano specificati e acquistati separatamente. Ciò significa che spesso è necessaria una adeguata competenza nel campo dell’elettronica analogica. Poiché gli ingegneri più giovani tendono a concentrarsi sull’elettronica digitale, spesso tale disciplina per loro è “materia oscura” sgradita, se possibile, da evitare.
La prossima generazione di sensori induttivi
Negli ultimi anni tuttavia, sono apparsi sul mercato sensori induttivi di nuova generazione che stanno acquistando una crescente reputazione non solo nei mercati tradizionali, ma anche in vari settori come le applicazioni industriali, automobilistiche, mediche, scientifiche e nei settori del petrolio, del gas e dei pubblici servizi. Questa nuova generazione di sensori induttivi è basata sugli stessi principi fisici dei dispositivi tradizionali ma utilizza schede a circuito stampato e la più moderna elettronica digitale piuttosto che l’ingombrante tipologia a trasformatore e l’elettronica analogica. L’approccio è più elegante e consente di espandere la gamma di applicazioni per i sensori induttivi ai sensori 2D e 3D, ai dispositivi lineari a ottica ultra corta (<1mm), alle geometrie curvilinee e agli encoder angolari ad alta precisione.
La Zettlex rappresenta il precursore di questa nuova generazione di tecnologie di tipo induttivo e negli ultimi anni, grazie ad alcune soluzioni vincenti di alto profilo, ha fatto registrare una crescita costante a livello aziendale. L’uso dei circuiti stampati permette ai sensori di essere impressi su sottili supporti flessibili che possono anche rendere completamente superflui i cavi e i connettori tradizionali. La flessibilità di questo approccio – sia in termini fisici che di capacità di adattamento in forme e design personalizzati in base alle esigenze specifiche degli OEM – è un vantaggio significativo di questa nuova tecnologia. Come per le tradizionali tecniche di tipo induttivo, l’approccio garantisce misurazioni affidabili e precise in ambienti particolarmente proibitivi. Tuttavia, ci sono anche altri importanti vantaggi:
- Costi ridotti
- Maggiore accuratezza
- Peso ridotto
- Semplificazione dell’ingegneria meccanica, attraverso l’eliminazione di cuscinetti, guarnizioni e boccole.
- Dimensioni compatte – in particolare una corsa ridotta rispetto ai tradizionali sensori LVDT.
Immagine di un dispositivo LVDT tradizionale (alto) e di un sensore lineare Zettlex (centro). In fondo un metro per identificare più facilmente la scala.
Questi vantaggi vengono illustrati facilmente nell’immagine di cui sopra, che mostra un sensore a trasformatore lineare LVDT con una corsa da 150mm e un’alternativa della nuova generazione, un sensore sviluppato per un produttore di attuatori lineari. La somiglianza con le foto del “prima” e “dopo”, tipiche delle foto di promozione delle diete alimentari, sono evidenti. Questo concetto viene rafforzato ulteriormente se si considera che il dispositivo di nuova generazione comprende anche il circuito di generazione ed elaborazione del segnale (non mostrato nel sensore LVDT tradizionale). A titolo di confronto, il dispositivo Zettlex offre:
- Una accuratezza di oltre dieci volte maggiore
- Un risparmio di peso pari al 95%
- Il 75% di riduzione del volume occupato
- Un 50% di risparmio sui costi
- Generazione diretta dei dati digitali, eliminando la necessità della conversione da analogico a digitale.
