Misurazione della pressione su base piezoresistiva

Misurazione della pressione su base piezoresistiva

by | Saturday, 8 August, 2020 | Petrolio e gas

La misurazione della pressione su base piezoresistiva è ideale per  misurare la pressione statica e offre vantaggi anche in termini di accuratezza e miniaturizzazione. In uno speciale white paper mostriamo le modalità di funzionamento della misura della pressione piezoresistiva.

Attraverso la misurazione della pressione piezoresistiva si misura la variazione di resistenza elettrica di un materiale. La variazione di resistenza dovuta alla compressione e alla trazione avviene essenzialmente in ogni materiale, ma, a differenza dei metalli, nei materiali semiconduttori è particolarmente pronunciata. Per questo motivo la misura viene applicata in particolar modo agli estensimetri realizzati con materiali semiconduttori come il silicio. In questo caso, a differenza degli estensimetri metallici, la sensibilità è più elevata ed è possibile realizzare fattori di proporzionalità positivi e negativi. La soluzione ottenuta è dunque molto più efficace con l’utilizzo del silicio piuttosto che con i metalli. 

Scopri tutto sulla misura della pressione su base piezoresistiva in un white paper gratuito ad hoc. Scoprirai tra l’altro: 

  • le differenze tra gli estensimetri in metallo e gli estensimetri a semiconduttore
  • informazioni sulla produzione dei semiconduttori (crescita del monocristallo di silicio)
  • il comportamento termico delle proprietà dei semiconduttori
  • il meccanismo d’azione dell’effetto piezoresistivo
  • la struttura della cella di misura piezoresistiva 
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Misurazione di pressione nelle macchine di stampaggio a iniezione

Misurazione di pressione nelle macchine di stampaggio a iniezione

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industria

Le macchine di stampaggio ad iniezione funzionano con la migliore precisione possibile. L’azienda svizzera Netstal-Maschinen AG offre macchine di stampaggio a iniezione ad alto rendimento estremamente precise e soluzioni di sistema per l’industria delle bevande, l’industria del packaging e l’industria della tecnologia medica. Negli impianti di alta qualità vengono montati sensori di pressione realizzati dalla STS.

Con una macchina a iniezione per lo stampaggio della plastica vengono prodotti pezzi di plastica finiti a partire da materiali plastici in forma granulare. Tale sistema è composto in modo semplicistico da due componenti: l’unità di iniezione e l’unità di chiusura. Nella prima unità viene preparata la materia prima, che qui viene di norma riscaldata e omogeneizzata in una coclea di costruzione situata in un cilindro idraulico. Nella seconda unità si trova uno strumento che rappresenta il negativo del pezzo di plastica da produrre. Il composto per lo stampo preparato nella coclea viene iniettato sotto pressione nella forma negativa. 

Il monitoraggio delle necessarie condizioni di pressioni è essenziale per la corretta riuscita del processo di iniezione. Per questo vengono montati i sensori nel circuito idraulico degli assi di iniezione. La pressione della massa specifica può essere calcolata sulla base delle pressioni rilevate nella camera durante il processo di iniezione. È di estrema importanza che l’errore di misurazione dei sensori sia minimo, poiché altrimenti la pressione della plastica viene calcolata troppo bassa o troppo alta. 

Se la pressionedellamassa è troppoalta o troppobassa, 

  • influenza la quantità di riempimento iniettata,
  • il pezzo di plastica finito può essere difettoso,
  • si possono verificare perdite dei materiali o danni alla strumentazione,
  • si può giungere ad un blocco dell’impianto. 

Impianti di alta precisione come le macchine di stampaggio a iniezione dell’azienda Netstal-Maschinen AG richiedono trasmettitori di pressione che forniscono risultati completamente affidabili nel campo di misurazione richiesto. Per trovare la soluzione migliore alle esigenze elevate sono stati condotti numerosi test con strumentazioni di diversi produttori. Bisognava verificare non solo la precisione degli strumenti di misurazione, ma anche la loro stabilità a lungo termine con alte temperature. Al banco prova sono stati eseguiti i seguenti intervalli di misurazione:

Immagine 1: Procedimento di controllo standardizzato per la valutazione di un trasmettitore di pressione appropriato. Dopo quattro, sei e otto milioni di cicli di pressione i sensori vengono ogni volta esposti ad un carico di temperatura (Aging – invecchiamento artificiale).

In questi test così approfonditi il sensore di pressione ad alta precisione ATM.1ST della STS ha raggiunto i risultati migliori in termini di tollerabilità, stabilità a lungo termine, precisione e accuratezza nell’intero campo di pressione e temperatura. Nella valutazione particolarmente decisivo è stato soprattutto il fatto che il sensore di pressione, anche dopo lungo tempo, rimane completamente indifferente e alle alte temperature e che a basse pressioni si distingue per una precisione molto elevata.

Immagine 2: Analisi di un trasmettitore di pressionedella STS in relazione al tempo e allatemperatura. OZ (condizione di partenza – in rosso, linea-punto) è stato utilizzato come posizione iniziale, le linee continue dopo ogni intervallo fisso, le linee tratteggiate all’inserimento del processo di invecchiamento secondo il procedimento di controllo nell’immagine 1. Il valore Toleranzfeld Aufnehmer si riferisce alla specifica di produzione (scheda tecnica), le linee continue Toleranzfeld NM sono gli obiettivi della valutazione.

Un ulteriore vantaggio dell ATM.1ST è che grazie alla sua costruzione modulare si adatta senza sforzi ad utilizzi personalizzati.

Panoramica dei dati:

  • Campo di misurazione della pressione: 100 mbar … 1000 bar
  • Campi di misura relativi e assoluti
  • Curva caratteristica: ≤ ± 0.10 / 0.05 % FS
  • Temperatura di funzionamento: -40 … 125°C
  • Errore totale: ≤ ± 0.30 %FS (0 … 70°C)
  • Materiali: acciaio inossidabile, titanio
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Misura della pressione nei fluidi abrasivi grazie alla membrana in Vulkollan®

Misura della pressione nei fluidi abrasivi grazie alla membrana in Vulkollan®

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industria

Normalmente i sensori di pressione sono disponibili in acciaio inossidabile o titanio. In questo modo sono coperte tutte le applicazioni su banco prova e le attività di monitoraggio comuni. Quando, però, c’è un contatto con sostanze particolarmente abrasive, è necessaria una maggiore protezione. Spesso una membrana aggiuntiva in Vulkollan® è in grado di soddisfare le esigenze del caso.

Prima di occuparci di due esempi concreti di applicazione, una piccola introduzione alla materia in sé: il Vulkollan® è la denominazione commerciale per gomma poliestere-uretano,una plastica in poliuretano con proprietà elastiche e una buona resistenza chimica e meccanica. Il materiale di gomma elastica viene utilizzato in diverse varianti: schiuma, plastica flessibile cellulare, nonché plastica solida. Mentre le prime due varianti vengono usate prevalentemente nella tecnica di pigging, la plastica solida viene trasformata in ruote, rulli e rivestimenti. Qui l’intervallo di temperatura di esercizio va da -20 a +80 gradi centigradi. 

Il calcestruzzo come mezzo di contatto 

Un’azienda leader nel campo dell’ingegneria specialistica delle costruzioni sotterranee si è rivolta alla STS alla ricerca di un sensore di pressione che possa essere utilizzato in modo sicuro in un mezzo fluido abrasivo. Nel caso specifico, stiamo parlando del calcestruzzo. Lo specialista nelle costruzioni sotterranee costruisce l’apparecchiatura idraulica che scava i buchi nella terra e li riempie con il calcestruzzo per realizzare dei pali. 

Affinché questi pali in calcestruzzo abbiano una struttura stabile, deve essere garantito un flusso continuo di calcestruzzo. Il materiale viene versato nello scavo per mezzo di un tubo. Una volta che il tubo viene inserito nel buco, può succedere che il calcestruzzo otturi l’interno del tubo stesso, portando ad un arresto dei lavori. 

Per evitare tutto ciò, bisogna inserire un sensore di pressione all’interno del tubo. Dato che il calcestruzzo viene versato nel buco mediante il tubo con l’aiuto di una pompa, un’otturazione è facilmente riconoscibile per via dell’elevata pressione che si crea all’interno del tubo. Per questo compito non è possibile scegliere un sensore di pressione in acciaio inossidabile, poiché resisterebbe al calcestruzzo per poco tempo soltanto. 

La risposta della STS a questa sfida è stata di dotare un sensore a flangia di una membrana aggiuntiva in Vulkollan®. Grazie a questa protezione il sensore utilizzato raggiunge un ciclo di vita di un anno con un errore totale del 5 percento. Sia la costruzione meccanica che i collegamenti elettrici sono stati realizzati su misura. La consegna è avvenuta in breve tempo. 

Misurazione del livello di riempimento nelle cisterne di zavorra 

Un produttore di sistemi di controllo per le navi, alla ricerca di una soluzione affidabile per misurare il livello dell’acqua nelle cisterne di zavorra, si è rivolto alla STS. Le cisterne di zavorra vengono utilizzate per agire sulla posizione del centro di massa di un’imbarcazione. Le navi da carico, ad esempio, sono costruite in modo tale che a pieno carico la linea di costruzione coincida con l’effettiva linea di galleggiamento. Quando una nave salpa invece senza carico, lo scafo affiora talmente fuori dall’acqua che gran parte della prua si innalza. Sebbene lo scafo si trovi più in profondità per via del peso del motore, può succedere che non sia abbastanza in profondità da permettere alle eliche di essere immerse a sufficienza nell’acqua – in tal caso la nave non è manovrabile. Per evitare che ciò accada, vengono riempite d’acqua le cisterne di zavorra. 

I sensori che monitorano il livello di riempimento non entrano, però, solo in contatto con l’acqua del mare (per questo è sufficiente che il corpo del sensore sia in titanio), ma entrano in contatto anche con sabbia, piccole pietre e cozze. Al fine di ottimizzare la durata di vita del sensore, la sua membrana è stata ricoperta con una pellicola in Vulkollan®.

Immagine 1: Esempio di sensore di pressione con pellicola in Vulkollan®.

Grazie al Vulkollan® è stato possibile ottimizzare i sensori di pressione per l’utilizzo in mezzi abrasivi. Tuttavia, ciò non include le sostanze a rischio esplosione o gli acidi. Qui trovi maggiori informazioni sul tema della compatibilità dei sensori di pressione piezoresistivi con le sostanze. Inoltre, gli utenti devono tener presente che la protezione aggiuntiva in Vulkollan® influenza negativamente la precisione del sensore. Anche il comportamento termico del sensore diventa instabile.

Per tutte queste ragioni, nella ricerca di una soluzione di misura della pressione idonea al contatto con i mezzi abrasivi,non c’è niente di meglio di un’ampia consulenza specialistica con gli esperti.

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Effetto diesel negli impianti idraulici: danni materiali come conseguenza

Effetto diesel negli impianti idraulici: danni materiali come conseguenza

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industria

Come suggerisce il nome, il concetto di effetto diesel fa riferimento al processo di combustione in un motore diesel. Si tratta di un fenomeno osservabile negli impianti idraulici. Oltre ai picchi di pressione, le conseguenze sono invecchiamento dell’olio, residui e distruzione delle guarnizioni.

L’effetto diesel si verifica a seguito della cavitazione. Pertanto, vogliamo prima esaminare le condizioni all’origine della cavitazione nei sistemi idraulici per poi dedicarci all’effetto diesel. 

Cavitazione nei sistemi idraulici 

Gli oli idraulici contengono aria disciolta a seconda del gas, della temperatura, del liquido e della pressione. Una cavitazione è infine un’espulsione d’aria dall’olio idraulico. Ciò si verifica quando l’olio è soggetto ad una certa pressione o ad un determinato movimento di taglio. In pratica succede nelle linee di aspirazione, negli spazi interni delle pompe, nei restringimenti trasversali e nei punti di un sistema idraulico in cui ci sono pulsazioni. Quando la massa dell’olio in movimento si rompe, si formano delle cavità in cui vengono liberate minuscole bolle d’aria. 

L’effetto diesel 

Se le bolle d’aria generatesi dalla cavitazione, contenenti anch’esse particelle d’olio, vengono sottoposte ad una pressione elevata, la temperatura all’interno delle bolle aumenta drasticamente. Questo forte aumento della temperatura genera l’effetto diesel, ovvero combustioni nel sistema idraulico. Il processo di combustione avviene nel giro di millisecondi. 

Le conseguenze della cavitazione e dell’effetto diesel 

La cavitazione può avere una moltitudine di effetti negativi, tra cui danni materiali ai corpi delle pompe e alle valvole di sovrappressione, aspirazione di elementi di tenuta come gli O-ring, alterazione della caratteristica del flusso, riduzione dell’efficacia delle pompe e degli ingranaggi per via delle perdite di riempimento, rumori, colpi d’ariete con picchi di pressione che superano la pressione di sistema, e, non ultimo, l’effetto diesel che si manifesta sotto forma di invecchiamento dell’olio, residui di combustione e guarnizioni distrutte. 

Le conseguenze della cavitazione e dell’effetto diesel non sono sempre subito evidenti. Spesso si notano quando è già troppo tardi ed è necessaria una riparazione degli impianti idraulici. I picchi di pressione dovuti alla cavitazione e all’effetto diesel possono danneggiare anche i trasmettitori di pressione installati nel sistema. La membrana del trasmettitore di pressione viene “perforata” a causa dell’aumento improvviso della pressione (qui puoi leggere maggiori informazioni sul tema). 

Viste le gravi conseguenze della cavitazione e dell’effetto diesel occorre adottare misure appropriate al fine di evitare il verificarsi di questi fenomeni. Tra queste misure rientrano un sufficiente riempimento delle camere di aspirazione e basse velocità di flusso, evitando angoli vivi, deviazioni e pressioni pulsanti.

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Misurare la pressione in modo accurato è essenziale per sviluppare una pompa dell’olio elettrica

Misurare la pressione in modo accurato è essenziale per sviluppare una pompa dell’olio elettrica

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industria

Spinti dall’inasprirsi degli obiettivi per le emissioni globali, gli OEM si stanno rivolgendo sempre di più all’elettrificazione per ridurre il consumo di carburante e le emissioni di gas serra. La scelta in questo ambito ricade spesso sui veicoli elettrici ibridi, spesso alimentati da un motore estremamente ridotto.

Il problema con questi motori dimensionati è che i sistemi ausiliari di potenza compromettono di molto la guidabilità e le prestazioni. Per fortuna queste perdite parassite possono essere in gran parte ridotte sostituendo i componenti tradizionalmente meccanici con unità alimentate elettronicamente. Per questo motivo, le pompe alimentate elettricamente si stanno diffondendo rapidamente nella produzione di serie; in particolare le pompe dell’olio e dell’acqua.

Immagine 1: esempio di una pompa dell’olio elettrica
Fonte dell’immagine: Rheinmetall Automotive

 

Se i vantaggi sono ovvi, l’elettrificazione, soprattutto per quanto riguarda la pompa dell’olio, è però tecnicamente complessa: gli ingegneri non solo vogliono che l’olio circoli ad una determinata velocità di flusso e pressione, ma vorrebbero che questi parametri corrispondano ai requisiti del motore in modo intelligente. 

Al fine di ottimizzare le prestazioni è importante che l’attrito e le perdite di pompaggio siano ridotti al minimo attraverso un attento controllo del flusso dell’olio nelle diverse aree del circuito dell’olio, garantendo nel contempo sempre la giusta pressione. 

Le simulazioni si basano sulle informazioni accurate della pressione e della velocità di flusso dell’olio al banco di prova 

Una pompa dell’olio alimentata elettronicamente è costituita da tre sottosistemi: la pompa, il motore e il regolatore elettronico. La prima sfida di qualsiasi nuovo sviluppo applicativo è dunque integrare in modo efficiente questi moduli in modo tale da ridurre le dimensioni e il peso totali, nonché il numero di componenti, pur ottimizzando le prestazioni. 

La funzione principale della pompa dell’olio è fornire un determinato flusso dell’olio ad una pressione ottimale. Pertanto la sua progettazione, che costituisce un processo iterativo, inizia dagli ingranaggi di pompaggio. Per la maggior parte delle applicazioni, la pompa è necessaria per fornire pressioni superiori di 1 fino a 2 bar, spesso arrivando a 10 bar. 

Come succede quasi sempre per lo sviluppo dei motori, per accelerare la fase di progettazione ci si affida a una combinazione di simulazioni e test condotti nel mondo reale. 

Il ciclo di progettazione inizia con la valutazione preliminare dell’efficienza volumetrica basata sui risultati sperimentali raccolti su pompe e applicazioni simili. Questi dati includono la velocità della pompa, la temperatura dell’olio, la pressione e la velocità di flusso. 

È importante che le informazioni usate per la valutazione siano accurate. La raccolta dei dati deve, dunque, essere effettuata utilizzando strumenti di misura precisi e altamente affidabili, in grado di fornire letture accurate nelle condizioni estreme che si verificano all’interno e intorno al motore. 

Per garantire accuratezza e ripetibilità, per la misura della pressione è importante utilizzare solo i sensori della migliore qualità. Non solo questi sensori di pressione devono fornire letture affidabili per un ampio intervallo di pressioni e temperature, ma devono anche resistere alle vibrazioni. 

Nel corso degli anni, la STS ha sviluppato dei sensori di pressione che soddisfano i requisiti degli OEM, dei fornitori di primo livello e degli specialisti della progettazione per quanto riguarda lo sviluppo dei motori. 

Sviluppo di una pompa dell’olio elettrica che supera in prestazioni l’unità meccanica 

Sulla base delle informazioni raccolte sui requisiti idraulici a varie velocità di flusso, pressioni di mandata e temperature dell’olio, si conclude una progettazione preliminare degli ingranaggi. Grazie al software Matlab’s Simulink, le informazioni riguardanti il comportamento del sistema fisico possono essere razionalizzate in un codice unidimensionale. 

In questa fase è importante notare che per generare il flusso richiesto a una determinata pressione, dovrebbe essere selezionata una velocità di rotazione che faciliti la migliore forma del motore e della pompa senza creare cavitazione o problemi di rumore, laddove il rumore per un tipico intervallo di velocità per un funzionamento continuo è solitamente compreso tra 1500 e 3500 rpm. 

Nella fase successiva è possibile creare diversi design utilizzando LMS Imagine. Il software Lab’s Amesim può ottimizzare i parametri di progettazione – per esempio il numero di denti e l’eccentricità – continuando a soddisfare tutte le condizioni di pressione, flusso e temperatura. 

Dopo aver implementato le caratteristiche geometriche dell’idraulica calcolata e aver terminato il design provvisorio, è possibile calcolare la coppia totale richiesta per guidare la pompa nei punti critici di funzionamento con la seguente formula: 

Mtot = MH + MCL + Mμ  

Dove: 

  • MH sta per la coppia idraulica dovuta alla generazione della pressione e del flusso richiesti
  • MCL sta per l’attrito di Coulomb generato quando ci sono contatti asciutti e lubrificati tra le parti scorrevoli
  • Mμ è il contributo viscoso dovuto al movimento del fluido all’interno degli spazi liberi

Una volta completata la progettazione, vengono costruiti i prototipi per valutarli nel mondo reale su un banco di prova del motore. 

La pressione dell’olio, la velocità di flusso e la temperatura a varie velocità del motore e della pompa vengono ancora una volta misurate per poter convalidare i risultati ottenuti con la simulazione. Se i risultati corrispondono alle specifiche, il programma di sviluppo viene ultimato e il progetto entra, così, nella fase di industrializzazione. 

È ovvio che per prestazioni ottimali e durabilità tutte le misure devono essere registrate in modo accurato, ma il peso dato alle informazioni generate dal sensore di pressione è, se possibile, più importante degli altri. In qualsiasi momento una pressione insufficiente può portare a un catastrofico guasto, mentre una pressione eccessiva spreca energia e può portare a problemi con le guarnizioni dell’olio.

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