Senzorii de cuplu

S-a scurs peste un secol de la inventarea carburatorului destinat motoarelor cu combustie internă de benzină şi cam un secol de la pompa de injecţie a motoarelor Diesel. Aşa încât ştim cu toţii că apăsarea pedalei de acceleraţie determină mărirea cuplului motor (prin adaosul de combustibil la arderea din cilindri) şi că doar eventuala lipsă a reacţiunii asupra pistoanelor (lipsa opoziţiei din exterior) determină creşterea turaţiei motorului.

De la cutia de viteze automată...

Aşa încât, implementarea cutiei de viteză automate a fost facilitată de faptul că, în principiu, decizia de trecere de la o treaptă de viteză la alta (de la un raport de transmisie la altul) se face pe baza a doi parametri: turaţia motorului (1) şi nivelul de apăsare a pedalei (2). Că, dacă ar fi fost nevoie de aflarea concretă a cuplului din vreun arbore al transmisiei mecanice, atunci automobilele cu transmisie automată ar fi avut de aşteptat mulţi ani.

Primul pantent de cutie automată a fost înregistrat în 1921, în Canada, iar în 1940 compania General Motors introducea transmisia „Hydra-Matic”.

De menţionat că, pe lângă deja-tradiţionalele cutii de viteză automate cu trepte de viteză (numite uneori „semi-automate”), există şi unele cu raport de transmisie variind în mod continuu (CVT). Un exemplu ar fi cel folosind schema de transmisie cu o curea flexibilă angrenând între două roţi de fricţiune cu diametre variabile.

...La senzorii de cuplu

Multe din automatizările industriale mari cuprind o acţionare electrică cu motor şi un utilaj de producţie, însă arbori în rotaţie pot fi întâlniţi în multe alte aplicaţii. Iar uneori se întâmplă să fie imperios necesar să se urmărească valoarea cuplului din arborele de antrenare. Lăsând, deocamdată, la o parte faptul că mărimea efortului de torsiune din arbore depinde atât de forţa motorului de antrenare, cât şi de reacţiunea cu care sarcina de lucru se opune în arbore, aflăm că senzorii de cuplu – adică acele dispozitive (discrete din punctul global de vedere al acţionării electrice) care evaluează solicitarea din arbore – sunt destul de complicaţi (cel puţin tehnologic). Dacă un cuplu static (în piese fără mişcare ori cu mişcare limitată) este mai uşor de citit, cuplul dinamic (în rotaţie completă şi continuă) ridică multe probleme la conceperea şi la implementarea senzorilor de cuplu.

Principiul, magnetic

Majoritatea senzorilor de cuplu folosesc sensibilitatea magnetică tensiometrică – ei sesizează abateri foarte discrete ale câmpului magnetic la suprafaţa arborelui de rotaţie, ştiind că distorsionarea liniilor de flux magnetic constituie o măsură a solicitării de torsiune. Aceasta deoarece reluctanţa (impedanţa, rezistenţa magnetică) anumitor materiale feromagnetice este minimă de-a lungul planului de solicitare.

Un traductor de cuplu poate fi alcătuit din trei inele de materiale speciale în corporate în jurul arborelui, fiecare inel având patru poli electromagnetici: inelul din mijloc joacă rolul înfăşurării primare a unui transformator, iar inelele exterioare sunt secundarul. Inelele secundare au polii decalaţi la 45° faţă de polii primarului. Dacă se alimentează inelul central al senzorului cu curent alternativ, câmpul magnetic generat de acesta va induce o tensiune electro-motoare (t.e.m.) în cele două inele exterioare. Legând aceste două inele secundare în serie, t.e.m. generată înele se anulează câtă vreme arborele de rotaţie nu este solicitat la torsiune. Când apare un cuplu în arborele monitorizat, deformările mecanice de torsiune din acesta (deşi infinitezimale) vor distorsiona liniile de câmp magnetic, ceea ce va determina un dezechilibru între t.e.m. induse în cele două inele secundare. Mărimea diferenţei dintre cele două t.e.m.(de ordinul milivolţilor) este proporţională cu solicitarea de torsiune din arbore.

Cam acelaşi principiu magneto-tensiometric (numit şi „magneto elastic”) este folosit şi în cazul senzorilor de cuplu fără contact direct cu arborele, situaţie în care inelele sunt înlocuite de înfăşurări polare sau de traductoare Hall. Senzorii de torsiune fără contact (CTS) au avantajul de a se putea integra şi ulterior în acţionarea electrică, fără pretenţii prea mari.

Mai observăm doar că, pentru a se obţine o mărime cât mai clară a cuplului măsurăt, majoritatea dispozitivelor folosesc (intercalându-l între arborii motor şi cel de sarcină) un segment de arbore nu foarte rigid la torsiune.

Închidem secţiunea de principii amintind şi o altă metodă de evaluare a cuplului: prin detectarea unghiului de răsucire axială a arborelui monitorizat, ceea ce presupune folosirea a doi senzori unghiulari şi măsurarea defazajului unghiular dintre ei.

Particularităţi şi caracteristici

Pentru că funcţionează exploatând un fenomen magnetic, senzorii de torsiune pot lucra în medii grele (vibraţii mecanice semnificative, umiditate, temperaturi mari) şi în condiţii dure de sarcină (variaţii mari sau variaţii rapide ale cuplurilor, concentricitate imperfectă/fluctuantă între arborii motor şi cel util).

Un aspect esenţial îl constituie faptul că sensibilitatea senzorului depinde mult de segmentul de arbore monitorizat: de materialul acestuia (de proprietăţile feromagnetice, de omogenitatea lui), de tratamentele de suprafaţă. (Dacă este un arbore gol pe interior [ţeavă], atunci peretele acestuia trebuie să aibă cel puţin 2–3 mm grosime.)

Astfel, pentru a se folosi corect de efectul magneto-tensiometric, este necesar ca arborele monitorizat de traductoarele de cuplu să fie confecţionat dintr-un material cu bune proprietăţi feromagnetice (aliaj de oţel cu nichel şi crom). Pe de altă parte, deoarece senzorii magnetici din dispozitiv trebuie feriţi de influenţe externe, traductorul de cuplu este, de regulă, dotat cu o carcasă corespunzătoare de ecranare magnetică în jurul regiunii de măsurare.

Cerinţe generice pentru senzori:

• Performanţă în evaluarea şi citirea cuplului:

   » viteza de răspuns;

   » acurateţea măsurării;

• Comportament de încredere:

   » stabilitatea măsurărilor în timp;

   » rezistenţa la condiţii de mediu solicitante;

   » durabilitatea/rezilienţa în exploatare îndelungată.

Deşi senzorul de cuplu exploatează deformările de torsiune (unghiular-axiale) ale arborelui, este esenţial ca deformările date de cuplu să rămână în domeniul elastic (solicitările încadrându-se în intervalul 1/10 – 1/4 din domeniul deformării plastice). De proprietăţile mecanice ale arborelui (rezistenţa la suprasarcină, evitarea deformării plastice, tratamentele de suprafaţă) depinde şi liniaritatea semnalului furnizat de traductorul de cuplu. De asemenea, un tratament de durificare a suprafeţei de test (eventual până la circa 50 HRC) va diminua şi ciclul histerezis al semnalului (de viaţia/dependenţa curbei de răspuns la sensul de variaţie a solicitării). Dacă variaţiile de temperatură ale mediului determină fluctuaţii în elasticitatea arborelui de măsurare, atunci traductorul poate include o compensare electronică a deviaţiilor de măsurare datorate fluctuaţiilor termice.

Avantaje ale traductorilor de cuplu fără contact:

• gamă largă de diametre ale arborilor;
• insensibilitate la umezeală şi mizerie/poluare;
• eforturi de mentenanţă mai reduse;
• lungime relativ mică necesară pentru instalarea traductorului pe arbore.

Specificaţii tipice ale senzorilor de cuplu:

• Sensul de măsurare a cuplului de torsiune: Unidirecţional / Bidirecţional
• Diametrul arborelui: 5 mm ÷ >1000mm
• Valoarea cuplului (în funcţie de diametrul arborelui): De la ± 2 Nm până la peste ± 1000000 Nm
• Semnalul electric de la ieşirea senzorului: Analog (între 0 şi 5 Volţi)
• Raportul semnal-zgomot: <5 mVpp (până la <1 mVpp)
• Gama semnalelor eşantionate: Analog: 0 ÷ 10 kHz / Digital: 0 ÷ 50 kHz
• Rezoluţia semnalului detectat: Echivalent cuantificării digitale pe 12 ÷ 16 biţi
• Domeniul de tensiune al sursei de alimentare: 5 ÷ 18 Volţi c.c.
• Consumul de curent de la sursă: 5 ÷ 50mA (plus eventual micro controler)
• Domeniul de temperatură la locul măsurării: - 40°C ÷ +250°C
• Domeniul de temperatură la circuitele electronice: - 40° C ÷ +125°C
• Toleranţa (de eroare) la repetarea măsurării: 0,01% ÷ 0,5%

Mircea Băduț este inginer, consultant CAD/IT