Misure e Tecniche Sperimentali - Alfredo Cigada

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1 Misure di spostamento senza contatto 2 TRASDUTTORI A CORRENTI PARASSITE 1

2 Trasduttori a correnti parassite: principio di funzionamento bobina alimentata con corrente alternata ( 1 MHz) 3 superficie metallica correnti parassite la bobina genera un campo elettromagnetico oscill. bobina linee di flusso Trasduttori a correnti parassite: principio di funzionamento 4 2

3 Trasduttori a correnti parassite: principio di funzionamento sul conduttore nascono le correnti parassite l intensità delle correnti parassite è funzione della distanza del trasduttore dal conduttore le correnti parassite modificano l induttanza della bobina 5 superficie metallica correnti parassite oscill. bobina linee di flusso Trasduttori a correnti parassite: principio di funzionamento 6 Le correnti parassite nel conduttore creano a loro volta un campo elettromagnetico che modifica l induttanza della bobina Si può dunque eseguire una misura di variazione di induttanza 3

4 Trasduttori a correnti parassite: principio di funzionamento conduttore correnti parassite linee di flusso oscillatore 7 amplificatore demodulatore bobina Trasduttori a correnti parassite: circuito di misura Si misura una variazione di bobina di induttanza bobina bilanciamento attiva 8 demod. e F.P.B. 4

5 Trasduttori a correnti parassite: circuito di misura 9 Eddy current probe 10 5

6 Trasduttori a correnti parassite: valori tipici 11 Portata: 2 mm (a partire da 0,25 mm) 4 mm ( a partire da 1 mm) Diametro sonda: 5 14 mm Sensibilità: 8 4 V/mm Linearità: < 0, mm Problemi tipici 12 Centralina nasce per cavo di una determinata lunghezza Taratura varia con materiale (diverso il meccanismo di sviluppo delle correnti parassite) Alimentazione tipica -18 V -24 V: come si fa?? Uscita ha i 18 V dell ingresso sovrapposti al segnale (offest elettrico) le schede raramente accettano più di 10V. Inoltre l offset rischia di essere ben maggiore del segnale. 6

7 Trasduttori a correnti parassite: da un catalogo Trasduttori a correnti parassite: la centralina di condizionamento 14 7

8 Trasduttori a correnti parassite 15 Sensibilità alla temperatura 16 uscita [ V ] [mm] Scostamento della distanza relativa 22 C rispetto alla 100 C 177 C sensibilità nominale distanza relativa [mm] 8

9 Trasduttori a correnti parassite: sensibilità al materiale uscita [V] AISI E4140 AISI 304 Al Cu distanza relativa [mm] Trasduttori a correnti parassite: 18 APPLICAZIONI Trasduttori di prossimità on-off Trasduttori di spostamento 9

10 Trasduttori a correnti parassite: applicazioni su ROTORI

11 Trasduttori a correnti parassite: RIFERIMENTO DI FASE 21 ω Cond. ω Cond. [s] [s] [ V ] [ V ] Trasduttori a correnti parassite: spostamento relativo perno-cuscinetto 22 11

12 Spostamento Y [mm] LUOGO DEI CARICHI DI CUSCINETTO DI ALTERNATORE = 0 rpm = 1500 rpm Salita 1 Salita 2 Salita Spostamento X [mm]

13 Sovrapposizione vibrazioni-difetti di forma Dilatazioni differenziali 13

14 27 Vibrazioni assiali 28 Lavorare con le armoniche 14

15 Transitorio di avviamento di un gruppo da 600 MW: rotore di bassa pressione 29 Ι armonica ΙΙ armonica totale Trasduttori a correnti parassite: ESEMPI 30 15

16 Trasduttori a correnti parassite: ESEMPI TRASDUTTORI CAPACITIVI 16

17 Trasduttori capacitivi 33 C = ε ε r 0 A d C = capacità [pf] ε 0 = costante dielettrica dell aria [pf/m] ε r = costante dielettrica del materiale tra le armature [pf/m] A = area delle armature d = distanza tra le armature Trasduttori capacitivi 34 Si può variare C variando ε r : legame lineare A C = ε 0 εr d 17

18 Trasduttori capacitivi 35 Si può variare C variando A: legame lineare C = ε 0 ε A r d Trasduttori capacitivi 36 Si può variare C variando d: legame non lineare C = ε 0 ε A r d 18

19 Trasduttori capacitivi: APPLICAZIONI 37 Misura di Spostamento Relativo Trasduttori capacitivi 38 d ALIMENTAZIONE IN CORRENTE (AC) SENSORE MASSA DELL ALIMENTATORE 19

20 Trasduttori capacitivi 39 ANELLO DI GUARDIA d ALIMENTAZIONE IN CORRENTE (AC) SENSORE CHASSIS Circuiti di misura: ponte di Wheatstone in C.A. Si misura la variazione di impedenza Z: 40 V e Z Z = 1 jωc S circuito di condizionamento 20

21 Considerazioni 41 La capacità è un interruttore aperto per un circuito alimentato in continua. Per avere segnale deve continuamente variare la capacità Se voglio misure in condizioni stazionarie devo alimentare in alternata (si fa lavorare la capacità) Si fa vedere un esempio di che cosa succede quando alimento in continua Trasduttori capacitivi: Valori tipici 42 Portata: Sensibilità: Risoluzione: Linearità: 0,05 10 mm V/mm 0,02 % f.s. > ± 0,2 % f.s. Figura µε 21

22 Trasduttori capacitivi 43 Vantaggi: elevata sensibilità e stabilità poco sensibili alle variazioni di temperatura Svantaggi: sensibili alle variazioni di capacità del cavo sensibili alle variazioni delle caratteristiche del dielettrico (acqua, olio, umidità) elevata impedenza Trasduttori capacitivi: APPLICAZIONI 44 Misure di LIVELLO 22

23 Trasduttori capacitivi: APPLICAZIONI per misure di coppia 45 gap gap massimo valore di capacità minimo valore di capacità 46 Trasduttori capacitivi: catalogo 23

24 47 Trasduttori capacitivi: catalogo Trasduttori capacitivi: APPLICAZIONI 48 Misure di LIVELLO 24

25 49 LASER A TRIANGOLAZIONE Laser a triangolazione 50 diodo laser Fotorilevatore campo di misura 25

26 Laser a triangolazione 51 Sensore analogico Sensore digitale Laser a triangolazione 52 + y y = 0 - y diodo laser θ = lenti i A - i i = 0 + i x foto rilevatore i C 26

27 Laser a triangolazione 53 conver. corr./tens. i A e A Uscita indipendente dalla intensità del fascio laser G x e A - e C e + e A C e diff e som e d e s e x fascio di luce i C conver. corr./tens. e C Laser a triangolazione 54 27

28 Laser a triangolazione 55 regolazione guadagno +10% -10% portata trasduttore +5 output [V] 0-5 ±10% distanza [mm] 45 mm 50 mm 55 mm -5 V 0 V +5 V distanza di misura Laser a triangolazione: CAMPO DI MISURA 56 campo di misura output [V] sensibilità 1 V/mm mm 28

29 Laser a triangolazione: CARATTERISTICHE 57 raggio laser visibile ( λ = 675 nm) spot di piccole dimensioni ( φ = 0,1 1 mm) poco sensibili alla rugosità superficiale e alle variazioni di colore del target Laser a triangolazione: Valori tipici 58 Portata: Distanza di misura: ± 0, mm mm Linearità: µm Risoluzione: 0,1 60 µm Tempo di integrazione: 0,01 30 ms 29

30 Laser a triangolazione: APPLICAZIONI 59 posizionamento braccio robot misura di vibrazioni Laser a triangolazione: APPLICAZIONI 60 misura di livello misura di spessore 30

31 Laser a triangolazione: APPLICAZIONI 61 controllo di processi produttivi APPLICAZIONI 62 31

32 APPLICAZIONI APPLICAZIONI 64 32

33 APPLICAZIONI:Marezzatura AMPIEZZA [mm] DISTANZA [mm] Taratura 66 33

34 67 TRASDUTTORI DIGITALI ENCODER Encoder albero 68 34

35 Encoder 69 Encoder incrementali 70 Il segnale di uscita è costituito da una successione di N impulsi per giro uscita [V] (N = numero di incisioni) Il riferimento angolare viene perduto se si interrompe l alimentazione tempo 35

36 Encoder incrementali 71 Monodirezionale: uscita A: N impulsi per giro uscita Z: 1 impulso per giro uscita A uscita Z Non permette di ricavare il verso di rotazione dell albero. Encoder incrementali 72 Bidirezionale: uscita A uscita B uscita Z uscita A uscita B uscita Z uscita A uscita B uscita Z rotazione oraria A in anticipo su B rotazione antioraria B in anticipo su A 36

37 Encoder incrementali 73 Il numero massimo di incisioni N che si possono realizzare dipende dal diametro del disco N indicativo: Da N dipende la Risoluzione Angolare θ : ϑ = 360 N Encoder incrementali 74 uscita [V] t tempo Possono essere utilizzati per misurare la velocità angolare di rotazione di un albero: ω = ϑ t La rotazione dell albero può essere ricavata contando gli impulsi k dal riferimento Z: θ = k θ 37

38 Encoder assoluti 75 Disco codificato con n piste (bit) che vengono lette simultaneamente fornendo un uscita in codice (binario, Gray) Per ogni settore angolare si ha un codice differente Con un solo disco il numero di settori angolari N è pari a: N = 2 n Funzionamento encoder 76 38

39 Encoder assoluti 77 Le n piste vengono lette da n fotorilevatori differenti Encoder assoluti 78 Dal diametro del disco dipende il numero di piste n (n = numero di bit) n = 2 16 Da n dipende la Risoluzione Angolare θ : ϑ = n 39

40 Encoder assoluti 79 In corrispondenza della zona limite non si conosce il valore assoluto della posizione Encoder assoluti 80 CODICE GRAY: cambia solo un bit alla volta 40

41 Le logiche digitali 81 Binario tradizionale Binario GREY Utilizzo di un numero di settori minore Frequenza massima di uscita 82 La capacità del cavo limita la frequenza di uscita arrotondando il fronte d onda delle onde quadre IN OUT IN OUT 41

42 Massima velocità angolare k N (numero di divisioni) rpm ω max max = F N [ ] 60 rpm Frequenze massime tipiche 10 MHz 500 khz 300 khz 160 khz 100 khz 50 khz 30 khz 10 khz Encoder: immagini e riferimenti angolari 84 42

43 Encoder: esempio di certificato di taratura 85 Encoder: il problema del giunto 86 43

44 Encoder: il problema del giunto 87 Encoder: catalogo

45 Encoder: catalogo 89 Encoder: catalogo 90 45

46 Utilizzi tipici dell encoder 91 46