Trasduttori di coppia: confronto metodi

La coppia è il prodotto di una forza per un braccio e descrive la capacità di un organo rotante di vincere una resistenza. Misurarla sembra semplice, ma nella pratica industriale esistono almeno cinque strade diverse, tutte legittime e tutte con limiti precisi: parlare di trasduttori di coppia confronto metodi significa mettere a paragone principi fisici differenti, non eleggere una soluzione migliore in assoluto.

La differenza principale passa fra chi misura la coppia direttamente sull’albero che ruota e chi la ricava altrove: sul supporto della macchina, oppure per via elettrica dalla corrente assorbita dal motore. Ogni scelta sposta il punto di misura e con esso ciò che il sensore vede davvero: attriti dei cuscinetti, componenti dinamiche, perdite di rendimento. Un banco prova motore e una stazione di avvitatura controllata hanno esigenze diverse, e la stessa soluzione può essere adeguata nel primo caso e insufficiente nel secondo.

Nelle sezioni che seguono confrontiamo trasduttori rotanti in linea, trasduttori a reazione, versioni con anelli striscianti, sensori magnetoelastici e stima indiretta dalla corrente, valutandoli con criteri omogenei: accuratezza e linearità, velocità massima ammessa, comportamento dinamico, sensibilità ai carichi parassiti, rigidezza torsionale introdotta nella catena, ingombro assiale, manutenzione e costo. Come riferimenti normativi ricorrono ISO 6789, ISO 5393 e ISO 16047 nell’ambito dell’avvitatura, mentre DIN 51309 e ISO 376 sono i riferimenti di taratura degli strumenti.

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Trasduttori di coppia confronto metodi: la grandezza in gioco

La coppia non si misura mai in modo diretto: si misura sempre un suo effetto. Nella maggior parte dei casi l’effetto è la deformazione torsionale di un elemento elastico, rilevata da estensimetri disposti a 45 gradi rispetto all’asse e collegati a ponte intero. In altri casi si sfrutta la variazione delle proprietà magnetiche dell’acciaio sotto sforzo, oppure si risale alla coppia da una grandezza elettrica. Esistono soluzioni diverse perché diversi sono i vincoli: un albero che ruota a migliaia di giri al minuto pone un problema di trasmissione del segnale che un supporto fermo non ha; un transitorio di avvitatura dura millisecondi, mentre la verifica di un riduttore avviene in regime stazionario. Da qui la necessità di un confronto per condizioni d’uso.

Il trasduttore rotante in linea: misura sull’albero

Il trasduttore rotante in linea si interpone fra motore e carico e porta gli estensimetri sull’albero stesso. Il segnale lascia la parte rotante senza contatto, per accoppiamento induttivo o per telemetria digitale, e con lo stesso principio viene alimentato il ponte. Il vantaggio è sostanziale: si legge la coppia realmente trasmessa al carico, comprese le componenti dinamiche, le pulsazioni e i picchi di spunto, senza che gli attriti dei cuscinetti falsifichino il dato. In cambio il montaggio è impegnativo, perché richiede allineamento accurato e giunti che disaccoppino flessione e spinta assiale, aggiunge ingombro assiale alla catena cinematica e ne modifica la rigidezza torsionale, spostando le frequenze proprie del sistema. Esiste inoltre un limite di velocità periferica oltre il quale la soluzione non è utilizzabile.

Le alternative: reazione, anelli striscianti, corrente, magnetoelastico

Il trasduttore a reazione, o statico, misura la coppia sul supporto del motore o dell’attrezzatura: nulla ruota, il cablaggio è fisso, il montaggio è più semplice ed economico. In compenso legge la reazione al basamento, quindi non vede le componenti dinamiche trasmesse al carico e risente degli attriti dei cuscinetti, che si sommano o si sottraggono al valore vero. La versione rotante con anelli striscianti riduce il costo rispetto alla trasmissione senza contatto, ma introduce usura delle spazzole e rumore elettrico sul segnale, con manutenzione periodica. La stima indiretta dalla corrente del motore non richiede alcun sensore aggiuntivo, ma la sua accuratezza è scarsa e dipende dal rendimento e dal punto di carico. I trasduttori a effetto magnetoelastico misurano senza contatto sfruttando la variazione di permeabilità e risultano robusti in ambienti gravosi.

Criteri a paragone: accuratezza, dinamica, installazione

Il confronto va condotto sempre sugli stessi criteri. L’accuratezza e la linearità dichiarate valgono in assenza di carichi parassiti: flessione e spinta assiale, se non disaccoppiate, si sommano alla lettura e degradano il risultato più di qualunque deriva termica. La risposta dinamica decide se si potrà seguire un transitorio o solo un valore medio. La rigidezza torsionale introdotta e l’ingombro assiale determinano quanto l’inserimento del sensore altera la macchina che si vuole caratterizzare. Restano poi manutenzione e costo di installazione, spesso superiore al costo del sensore. La taratura si riferisce a DIN 51309 per gli strumenti di coppia statici e a ISO 376 per la catena di forza impiegata a braccio noto.

Criterio	Rotante in linea	A reazione (statico)	Stima da corrente motore
Grandezza letta	Coppia trasmessa al carico	Reazione sul supporto	Valore ricavato per calcolo
Accuratezza tipica	Elevata	Buona in regime stazionario	Scarsa, dipende dal rendimento
Risposta dinamica	Adatta ai transitori	Limitata, non vede le componenti dinamiche	Molto limitata
Carichi parassiti	Richiede giunti di disaccoppiamento	Attriti dei cuscinetti inclusi nella lettura	Non applicabile
Installazione	Allineamento accurato, ingombro assiale	Semplice, cablaggio fisso	Nessun intervento meccanico
Manutenzione e taratura	Periodica, senza parti striscianti	Ridotta	Nessuna, ma riferibilità assente

Confronto sintetico fra le soluzioni descritte.

Quando conviene una soluzione e quando l’altra

Sui banchi prova motore, dove servono curve di coppia affidabili e la lettura dei transitori, il rotante in linea è la scelta obbligata; lo è anche nelle prove di durata, purché la velocità resti entro il limite ammesso e i giunti isolino i carichi parassiti. Nell’avvitatura controllata la scelta dipende dallo scopo: la verifica statica degli utensili si presta al banco a reazione, il rilievo dell’andamento dinamico del serraggio richiede un sensore rotante. La verifica di riduttori in regime stazionario è ben servita dal trasduttore statico, più economico. La stima dalla corrente resta accettabile solo per diagnostica e allarmi di sovraccarico, non per un dato riferibile. In ambienti sporchi o con vibrazioni forti il magnetoelastico è il compromesso più robusto.

I riferimenti normativi aiutano a fissare il contesto: ISO 6789 per le chiavi dinamometriche, ISO 5393 per gli avvitatori rotanti, ISO 16047 per la relazione fra coppia e forza di serraggio, DIN 51309 e ISO 376 per la taratura. Per un quadro completo delle configurazioni disponibili è utile la pagina dedicata ai trasduttori di coppia.

Lo strumento del nostro catalogo per questo tema

Del campo descritto qui sopra il nostro catalogo copre la misura di coppia statica su banco, quella eseguita su un campione bloccato e fermo, con lettura di picco e giudizio passa/non passa.

Coppia statica da banco

SHIMPO FG-7000TA

Base con display e sensore di coppia esterno riconosciuto in automatico, morsetto regolabile da circa 14 a 50 mm: legge la coppia applicata a un campione fermo, con modi Track, Peak, First Peak e Preset.

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Il resto della gamma trattata si vede nella pagina di catalogo Torsiometri e strumenti per prova di coppia.

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