Trasduttori di coppia

I trasduttori di coppia misurano la coppia, cioè lo sforzo di torsione applicato a un elemento attorno al proprio asse: quello che serve per chiudere un tappo, per riaprirlo, per ruotare una valvola o una manopola filettata. La coppia è una grandezza fondamentale in meccanica, e misurarla serve per verificare che una chiusura tenga senza diventare impossibile da aprire, per confrontare lotti diversi di componenti e per documentare il comportamento a torsione di un pezzo. Il principio è simile a quello delle celle di carico: la coppia applicata deforma leggermente per torsione un elemento elastico, e questa deformazione, rilevata da estensimetri, viene convertita in un segnale proporzionale alla coppia. Nelle prove su banco il campione viene bloccato in modo che al sensore arrivi la sola sollecitazione torsionale, e lo strumento registra il valore che interessa lungo la prova. Capire come funzionano i trasduttori di coppia e come è fatta la prova aiuta a scegliere lo strumento giusto.

Questa pagina spiega come la torsione diventa misura, com’è fatta la catena di misura di una prova di coppia su banco, che cosa distingue la coppia di chiusura da quella di apertura e che cosa rende la prova ripetibile. È una guida per il tecnico che misura la coppia.

Dalla torsione alla misura

Il principio del trasduttore di coppia è la deformazione per torsione. Quando si applica una coppia a un albero, questo si torce leggermente attorno al proprio asse, di un angolo proporzionale alla coppia, entro il campo elastico. Su questo albero, o su un elemento elastico dedicato, sono applicati degli estensimetri disposti in modo da rilevare la deformazione di torsione: quando l’albero si torce, gli estensimetri si deformano e variano la loro resistenza, e un ponte di misura converte questa variazione in un segnale proporzionale alla coppia. È lo stesso principio estensimetrico delle celle di carico, applicato però alla torsione anziché alla trazione o compressione. Il segnale, opportunamente condizionato, dà il valore della coppia. La progettazione dell’elemento elastico e la disposizione degli estensimetri sono studiate per rispondere alla coppia e non ad altre sollecitazioni come le forze assiali o flettenti, in modo che il trasduttore misuri solo la torsione.

La catena di misura in una prova su banco

In una prova di coppia su banco il valore letto non dipende dal solo sensore, ma da una catena di quattro anelli. Il primo è l’afferraggio del campione: il pezzo va vincolato in modo che la reazione alla coppia applicata passi tutta attraverso l’elemento sensibile e non venga scaricata altrove. Sui banchi per chiusure il vincolo è un mandrino con pin removibili, la cui apertura si regola sul diametro del campione; su un sensore separato lo stesso compito lo fa un morsetto regolabile. Il secondo anello è il sensore, cioè l’elemento elastico estensimetrato che si torce sotto la coppia: la sua portata va scelta in modo che il valore atteso cada nella parte utile della scala, perché una portata troppo grande spreca risoluzione e una troppo piccola espone al sovraccarico. Il terzo è la lettura: l’elettronica campiona il segnale a frequenza elevata e lo presenta come valore numerico, come barra analogica con il verso della rotazione (orario o antiorario) e, dove previsto, come grafico dell’andamento durante la prova. Il quarto è la registrazione: memoria interna e uscite dati permettono di riportare le prove su PC, di raggrupparle e di elaborarle in statistica, così che il risultato resti confrontabile nel tempo e non solo leggibile sul momento.

Anello della catena	Che cosa determina
Afferraggio del campione	Che la reazione alla coppia passi tutta nel sensore
Elemento sensibile	Torsione rilevata da estensimetri; portata da scegliere
Lettura	Valore, verso di rotazione e andamento della prova
Registrazione	Memoria e uscita dati per confrontare le prove

Coppia di chiusura, coppia di apertura e modi di misura

Su una chiusura filettata le grandezze che interessano sono due e non vanno confuse. La coppia di chiusura è quella applicata per portare il tappo in posizione: descrive come il pezzo è stato serrato, in produzione o in laboratorio. La coppia di apertura, o coppia di primo distacco, è quella che serve per rimettere in movimento la chiusura già serrata: descrive che cosa trova l’utilizzatore quando prova ad aprire, e non coincide con quella di chiusura, perché fra le due c’è l’assestamento della guarnizione, il tempo trascorso e le condizioni ambientali. Le due prove si distinguono anche per il verso di rotazione: la chiusura avviene in un senso, l’apertura nell’altro, e lo strumento indica quale dei due sta misurando. Da qui la logica di una prova ben posta: dichiarare se si sta misurando la chiusura o l’apertura, misurarle sullo stesso campione quando serve capire come si comporta nel tempo, e non trasferire un valore ottenuto in un verso all’altro.

Il valore che conta cambia con l’obiettivo della prova, e per questo gli strumenti offrono più modi di misura. Il modo traccia mostra il valore in tempo reale e serve a seguire l’andamento mentre si opera. Il modo picco trattiene il valore massimo raggiunto: è il modo tipico per la coppia di apertura, dove interessa lo sforzo di primo distacco. Il primo picco registra invece il primo massimo dopo che l’elettronica rileva una diminuzione: distingue lo scatto iniziale dai massimi successivi, utile su chiusure con sigillo di garanzia o cricchetto. Le varianti automatiche azzerano il picco dopo un intervallo impostato, per incatenare più prove senza intervenire fra una e l’altra, mentre il doppio picco restituisce due massimi separati nella stessa prova. Un modo a media restituisce il valore medio anziché il massimo. A questi si affianca il funzionamento con soglie di tolleranza, in cui si impostano un limite inferiore e uno superiore e lo strumento segnala se la prova è dentro o fuori: è la logica passa/non passa dei controlli ripetuti, e l’esito si può portare anche su un’uscita elettrica per collegare lo strumento a un sistema di controllo.

Gli usi della misura di coppia

La misura di coppia su banco trova impiego dovunque una chiusura filettata debba comportarsi in modo prevedibile. Nelle prove sui prodotti confezionati misura la coppia di chiusura e di apertura di tappi e coperchi, per garantire che si aprano con lo sforzo giusto, né troppo né troppo poco: una chiusura serrata poco non tiene, una serrata troppo diventa un problema per chi la deve aprire. Nel controllo di produzione la stessa prova, ripetuta su campioni prelevati dal lotto, verifica che la macchina tappatrice mantenga la regolazione nel turno, e le soglie di tolleranza rendono immediato l’esito. Su valvole, manopole e componenti filettati la prova misura lo sforzo necessario per azionarli o per portarli a fine corsa, e serve a confrontare fornitori o versioni successive dello stesso pezzo. Nella ricerca e sviluppo caratterizza il comportamento a torsione di un componente, fino alla prova distruttiva quando l’obiettivo è sapere a che coppia cede. In tutti questi casi il trasduttore di coppia fornisce una misura oggettiva di una grandezza che altrimenti resterebbe affidata alla sensibilità dell’operatore. Scegliere lo strumento con la portata adatta al valore atteso è essenziale per una misura di coppia affidabile.

• Misurano la coppia dalla torsione di un elemento elastico.
• Usano estensimetri e ponte di misura.
• Il bloccaggio del campione fa parte della misura.
• Coppia di chiusura e coppia di apertura sono due grandezze distinte.
• Il modo di misura seleziona il valore che interessa: traccia, picco, primo picco, media.
• Le soglie di tolleranza rendono immediata la valutazione passa/non passa.

Ripetibilità e affidabilità della misura

La ripetibilità è ciò che rende una prova di coppia un dato e non un’impressione: prove diverse sullo stesso tipo di campione devono poter essere confrontate fra loro. Il primo requisito è il bloccaggio. Se il campione slitta nell’afferraggio, o se i pin del mandrino sono regolati in modo diverso da una prova all’altra, il valore letto cambia senza che sia cambiato il pezzo; per questo l’apertura si imposta sul diametro del campione e si mantiene per tutta la serie, e i pezzi deformabili vanno vincolati senza schiacciarli. Il secondo è l’uso entro la portata: il trasduttore va scelto in modo che il valore atteso stia nella parte utile della scala, evitando sia il fondo scala sia la coda bassa, e va protetto dal sovraccarico. Il terzo è la direzione della sollecitazione: al sensore deve arrivare la sola torsione, applicata in asse, senza forze assiali o flettenti che la disturberebbero o lo danneggerebbero. Il quarto è il modo operativo: azzeramento prima di ogni prova, modo di misura coerente con la grandezza cercata e velocità di applicazione della coppia il più possibile uniforme fra un campione e l’altro. Documentare portata dello strumento, modo di misura, verso di rotazione e condizioni del campione rende le misure confrontabili nel tempo. Grazie al principio estensimetrico applicato alla torsione, i trasduttori di coppia restituiscono così misure oggettive, complementari alle celle di carico nella misura delle grandezze meccaniche.

Dalla tecnologia allo strumento: cosa serve in pratica

Questo tema appartiene all’area Estensimetria e sensori di forza del ramo Tecnologie e principi di misura, ed è collegato alle celle di carico a estensimetri. Per la strumentazione il riferimento è il Catalogo prodotti.

Nel catalogo i trasduttori di coppia fanno capo ai torsiometri e strumenti per prova di coppia, nella famiglia forza, coppia, tensione e banchi prova. Se devi misurare la coppia di chiusura o di apertura su tappi, valvole, manopole o componenti filettati, il modulo di richiesta consente di ricevere un’indicazione mirata.