La maggior parte degli ingegneri ancora richiede i sensori di posizione incrementali perché ritiene che le versioni assolute siano troppo costose. In tal modo non si dimostrano consapevoli dei cambiamenti significativi che negli ultimi anni hanno investito il mercato. Questo articolo si propone di fornire un'analisi aggiornata dei pregi delle tipologie di sensore incrementale e assoluto.

Introduzione

Se non avete mai capito a pieno la differenza tra la misurazione incrementale e assoluta, non preoccupatevi: non siete i soli. Anche molti ingegneri non hanno mai compreso interamente questa terminologia. Inoltre, i costruttori di sensori hanno ulteriormente mischiato le carte sbandierando la capacità di misurazione assoluta dei loro prodotti anche se ciò che in effetti offrono è una misurazione incrementale.

Alcune definizioni possono aiutare a capire. In primo luogo, useremo il termine generico “sensore” per coprire encoder, trasduttori e rivelatori. La caratteristica distintiva di un sensore di posizione incrementale è che segnala un cambiamento incrementale della posizione. In altre parole, quando un sensore incrementale è acceso, non segnala la sua posizione finché non viene rilevato un punto di riferimento dal quale è possibile misurare.

Un sensore assoluto segnala in modo inequivocabile la sua posizione su una scala o un intervallo. In altre parole, quando un sensore assoluto è alimentato rileverà la propria posizione senza bisogno di alcuna informazione di riferimento. La domanda “Cosa succede all’accensione?” rappresenta un buon banco di prova per differenziare i due tipi di sensore. Se il sensore deve essere sottoposto ad un processo di calibrazione di qualsiasi tipo, è incrementale; in caso contrario è assoluto.

Alcuni produttori dichiarano che i loro sensori hanno caratteristiche di misurazione assoluta perché una batteria memorizza i dati sulla posizione del sensore incrementale quando il dispositivo non è alimentato. Niente di strano in questo, ma che cosa succede quando la batteria si esaurisce? Analogamente, alcuni produttori di sensori indicano caratteristiche di misurazione assoluta quando un sensore incrementale deve effettuare piccoli spostamenti all’accensione per ottenere le informazioni di riferimento. Anche questi sono sensori incrementali, ma vengono promossi e commercializzati al prezzo dei sensori assoluti.

I potenziometri sono ancora la più comune forma di sensori di posizione, ma nel corso degli ultimi venticinque anni l’uso di sensori senza contatto è cresciuto in modo significativo. Questa tendenza verso i dispositivi senza contatto è ancora in corso e si deve ai problemi associati con l’usura e l’affidabilità dei potenziometri – specialmente in ambienti difficili (in particolare in presenza di vibrazioni) o quando la vita utile deve essere particolarmente lunga. I potenziometri sono quasi sempre assoluti ma una comune forma di sensore senza contatto è l’encoder ottico.

L’encoder ottico funziona puntando una luce attraverso o su di un reticolo ottico e calcolando la posizione in base all’intensità della luce stessa. La maggior parte dei dispositivi ottici sono incrementali. Normalmente le informazioni di posizione vengono emesse attraverso una serie di impulsi – di solito in quadratura di fase, in modo tale che possa essere determinata la traiettoria. Normalmente tali impulsi vengono denominati impulsi A/B. Un treno d’impulsi separato, denominato anche riferimento Z, fornisce un impulso per rotazione che funge da segnale di riferimento.

 

schematica di un sensore ottico incrementale

Fig. 1 – Rappresentazione schematica di un sensore ottico incrementale con un impulso di riferimento.

Il dispositivo ottico assoluto è simile ma utilizza un diverso tipo di scala, per cui la posizione assoluta è determinata all’accensione – senza la necessità di un segno di riferimento. Normalmente questi sensori hanno una uscita digitale e la loro risoluzione è definita dal numero di bit nell’uscita. Un dispositivo a 10-bit offrirà un conteggio di 1.024; un dispositivo a 11-bit un conteggio di 2.048 e così via.

schematica di un sensore ottico assoluto

Fig. 2 – Rappresentazione schematica di un sensore ottico assoluto a 10-bit con uscita digitale.

Le vendite di sensori incrementali sono triple rispetto ai sensori assoluti. Il motivo principale è che tradizionalmente un sensore incrementale è sempre stato più economico rispetto a un sensore assoluto con prestazioni simili.

Tuttavia, le cose sono cambiate e oggi i sensori assoluti non sono più tanto costosi come molti potrebbero credere. Il passaggio a una misurazione di posizione assoluta (senza contatto) può fornire prestazioni migliori, una maggiore precisione e ridurre i costi complessivi. Questo perché l’approccio basato sul sensore incrementale potrebbe creare problemi pratici. Il limite più evidente è che ogni volta che si verifica una perdita di alimentazione il sistema deve eseguire una fase di calibrazione, che rallenta le prestazioni del sistema e, se la tensione venisse a mancare improvvisamente, potrebbe avere implicazioni anche in termini di sicurezza.

In secondo luogo, la posizione viene calcolata mediante il conteggio in base a un segno di riferimento. A volte, in particolare in caso di variazione della tensione di alimentazione o della posizione di alta velocità, il conteggio può essere perso. Questo potrebbe avere effetti potenzialmente catastrofici dal punto operativo dato che in assenza di controllo il funzionamento potrebbe essere fuori sincronizzazione per periodi alquanto prolungati. La maggior parte dei sensori incrementali sono di tipo ottico e, per ottenere letture ad alta risoluzione, occorre utilizzare elementi molto sottili sul reticolo ottico, a volte pari a pochi micron. Anche se tali elementi minuscoli aumentano la sensibilità, rendono il dispositivo ancora più delicato e suscettibile ai corpi estranei. Umidità, grasso o sporcizia possono causare il blocco di un dispositivo ottico o, ancora peggio, produrre letture errate.

Le differenze di prezzo tra sensori assoluti e incrementali si sono ridotte significativamente in questi ultimi anni per il successo di mercato dei sensori assoluti, ma anche grazie all’introduzione di nuove tecniche di rilevamento assoluto. Anche se i sensori ottici restano la scelta automatica per alcuni ingegneri, oggi i dispositivi induttivi della nuova generazione offrono sensori che misurano la posizione assoluta in modo accurato senza effetti deleteri anche negli ambienti particolarmente difficili o proibitivi.

Piuttosto che un reticolo e un sensore ottico, questi dispositivi induttivi utilizzano avvolgimenti / circuiti stampati laminari, e il loro principio di funzionamento è molto simile a quello di un trasformatore o di un resolver. La fisica fondamentale consente di produrre sensori assoluti, compatti, leggeri e ad alta risoluzione che non richiedono la proiezione di una sorgente di luce su elementi ottici. Tali dispositivi non solo sono fondamentalmente assoluti, ma hanno anche altri vantaggi rispetto ai sensori ottici. In primo luogo, non vengono influenzati da corpi estranei quali sporcizia o umidità. In secondo luogo, le loro prestazioni di misurazione generalmente restano inalterate dagli spostamenti radiali ed hanno ampie tolleranze di montaggio. Ciò significa che non sono richiesti involucri di precisione o cuscinetti ma che si possono semplicemente fissare ad un componente meccanico del sistema ospite come ad esempio un motore o la scatola del cambio. Ciò consente inoltre una semplificazione radicale, la riduzione delle dimensioni e del peso delle parti meccaniche interessate perché viene meno l’esigenza di utilizzare componenti come cuscinetti, alberi, giunti e guarnizioni. Un altro vantaggio è che questi dispositivi di tipo induttivo di nuova generazione possono avere un foro centrale generosamente dimensionato per consentire il passaggio dell’albero, dei cavi o degli slip-ring dell’apparecchiatura ospite. Dal punto di vista del progettista questo nuovo approccio significa poter offrire le prestazioni della misurazione assoluta a un prezzo simile a quello di un tradizionale dispositivo incrementale.

Sensori di posizione incrementale o assoluta
Sensori di posizione assoluta

Fig. 3 – L’adozione dei sensori assoluti aumenta rispetto a quelli incrementali grazie alla nuova generazione di dispositivi di tipo induttivo

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