Encoder a filo o sensore magnetostrittivo: quale scegliere per misurare una corsa
Per misurare quanto si allunga un braccio telescopico o quanto esce lo stelo di un cilindro, la scelta fra encoder a filo o sensore magnetostrittivo dipende soprattutto da due dati: dove si trova la parte che si muove e quanto è lunga la corsa. Tutti e due restituiscono una posizione assoluta, ma funzionano in modo diverso e si montano in punti diversi della macchina.
L'encoder a filo si fissa sulla struttura e segue la parte mobile con un cavo d'acciaio. Nella gamma TSM Sensors arriva a 20 metri di corsa. Il sensore magnetostrittivo si installa dentro il cilindro idraulico e rileva senza contatto la posizione del pistone, fino a 2,5 metri. Precisione, durata e tipo di uscita contano, ma di solito si guardano dopo aver risposto a quelle due domande.
Come funziona un encoder a filo
Dentro l'encoder a filo c'è un tamburo montato su cuscinetti, con un cavo avvolto sopra. Quando il cavo si svolge il tamburo ruota: lo spostamento lineare del cavo diventa uno spostamento angolare del tamburo, e dall'angolo il sensore ricava di quanto è uscito il cavo. Negli encoder a filo TSM la rotazione viene letta con tecnologia a effetto Hall e la misura è assoluta.
Il corpo del sensore va sulla parte fissa della macchina, mentre il cavo si aggancia con un occhiello al componente che si muove. Il cavo è in acciaio AISI 304 (con rivestimento in nylon su CET5, CET5000 e CET12). Le corse disponibili:
In fase di progetto ci sono due limiti da rispettare. La velocità massima di estrazione del cavo è di 1 m/s, e il datasheet del CET5 avverte che superare l'estensione massima danneggia il filo e la meccanica. Tutti i modelli sono nella pagina degli encoder a filo TSM.
Come funziona un sensore magnetostrittivo
Il sensore magnetostrittivo ha un'asta di misura che contiene un filo magnetostrittivo. Brevi impulsi di corrente generano un campo magnetico lungo il filo. Il cursore magnetico, collegato alla parte in movimento, interagisce con quel campo e provoca una torsione momentanea del filo, che si propaga come in una guida d'onda. In fondo alla guida un elemento sensibile la converte in segnale elettrico. La velocità di propagazione è nota, quindi il sensore calcola la posizione dal tempo di volo dell'impulso.
Fra cursore e asta non c'è contatto, e i datasheet delle famiglie MAG dichiarano una vita meccanica illimitata. MAG100, MAG200 e MAG300 misurano da 0,1 a 2,5 m, hanno testa e asta in acciaio inox AISI 316 (asta da 10 mm di diametro) e lavorano con una pressione di esercizio di 350 bar, con picchi fino a 500 bar. Il MAG300 ha una flangia a innesto e si installa completamente dentro il cilindro; MAG100 e MAG200 hanno un attacco filettato M18x1,5. Ogni sensore va montato con il proprio cursore in dotazione.
TSM collabora con i produttori di cilindri idraulici per integrare i sensori direttamente nel cilindro. La gamma completa è nella pagina dei sensori magnetostrittivi.
Encoder a filo e sensore magnetostrittivo a confronto
La tabella mette in fila le differenze da valutare in fase di progetto. I valori numerici vengono dai datasheet dei modelli citati.
| Encoder a filo | Sensore magnetostrittivo | |
|---|---|---|
| Principio di misura | Cavo avvolto su un tamburo, rotazione letta a effetto Hall | Tempo di volo di un impulso lungo un filo magnetostrittivo |
| Dove si monta | Sulla struttura, con il cavo agganciato alla parte mobile | Dentro il cilindro idraulico |
| Corsa massima | 5 m (CET5, CET5000), 12,5 m (CET12), 20 m (CET20) | 2,5 m (MAG100, MAG200, MAG300) |
| Risoluzione | 0,1 mm (versioni CANopen) | 0,1 mm |
| Linearità a 25 °C | Da ±0,5% a ±0,8% FS, secondo il modello | Meno di ±0,1 mm fino a 250 mm, ±0,04% FS da 250 a 2.500 mm |
| Parti in movimento | Cavo e tamburo | Solo il cursore magnetico, senza contatto con l'asta |
| Durata meccanica dichiarata | Da 200.000 a 500.000 cicli, secondo modello e corsa | Illimitata |
| Misure aggiuntive | Inclinometro integrato opzionale su CET5, CET12 e CET20 CANopen | Posizione, velocità e accelerazione |
| Uscite | CANopen, analogica, relè | Analogica e CANopen |
| Grado di protezione | IP67 vano elettronica (CET5, CET5000, CET12), IP66 (CET20) | IP67 (MAG300: IP69K con sistema a innesto M12) |
Criteri di scelta
Dove si trova la parte da misurare
Se la corsa da misurare è quella del pistone di un cilindro idraulico, il sensore magnetostrittivo lavora al suo interno, in pressione, e il cilindro restituisce direttamente la posizione alla centralina. Quando il punto da misurare è esterno, come un braccio telescopico o lo sfilo di uno stabilizzatore, l'encoder a filo si monta sulla struttura e il cavo segue la parte mobile.
La regola non è rigida. Sui veicoli per la raccolta rifiuti, per esempio, il CET5 rileva la posizione di un cilindro telescopico.
Quanto è lunga la corsa
Oltre i 2,5 metri la gamma magnetostrittiva TSM non arriva, quindi restano gli encoder a filo: 5 m con CET5 e CET5000, 12,5 m con CET12, 20 m con CET20. Sotto i 2,5 metri si possono usare tutte e due le tecnologie, e a decidere sono gli altri criteri.
Quanta precisione serve
Gli encoder a filo TSM dichiarano una linearità fra ±0,5% e ±0,8% del fondo scala (FS), a seconda del modello. I magnetostrittivi MAG dichiarano meno di ±0,1 mm fino a 250 mm e ±0,04% FS fra 250 e 2.500 mm, con una ripetibilità di ±0,1 mm. La risoluzione è di 0,1 mm in entrambi i casi (per gli encoder a filo, nelle versioni CANopen).
Quanti cicli deve reggere
Per gli encoder a filo i datasheet riportano i cicli di vita a 25 °C: 500.000 per CET5, CET5000 e CET12 fino a 10 m, 200.000 per il CET12 da 12,5 m, 250.000 per il CET20. Per i magnetostrittivi la vita meccanica dichiarata è illimitata. Su una macchina che ripete la stessa corsa molte volte al giorno, questi valori vanno confrontati con i cicli previsti nella sua vita utile.
Esempi applicativi: le due tecnologie sulla stessa macchina
Piattaforme aeree a ragno
Sulle PLE a ragno il CET5 misura l'estensione del boom, mentre il MAG300 fornisce il feedback di posizione dei cingoli.
Palificazione
Nelle attrezzature di palificazione il CET12 rileva la posizione del martello sul battipalo. Sulle sonde per pali il MAG300 dà il feedback del boom principale.
Veicoli per la raccolta rifiuti
Sui compattatori il CET5 misura la posizione del cilindro telescopico e il MAG300 quella dei cilindri di scorrimento e di pressatura.
Escavatori e sollevatori telescopici
Su escavatori e pale gommate il MAG300 monitora la corsa dei cilindri idraulici. Sui sollevatori telescopici lavorano gli encoder a filo: il CET5 per il feedback di posizione di sollevatori e forche, il CET12 per l'estensione e l'inclinazione del boom.
Il magnetostrittivo sta nei cilindri, l'encoder a filo sulle corse lunghe o esterne, e sulla stessa macchina capita spesso di trovarli entrambi.
Domande frequenti su encoder a filo e sensori magnetostrittivi
Serve un azzeramento all'accensione?
No. Encoder a filo e sensori magnetostrittivi TSM forniscono una misura assoluta, quindi alla riaccensione conoscono subito la posizione. Il tempo di avvio indicato nei datasheet di CET5 e MAG300 è inferiore a 1,5 secondi.
Quale dei due è più preciso?
Sulla carta il magnetostrittivo: ±0,04% FS di linearità fra 250 e 2.500 mm, contro un valore compreso fra ±0,5% e ±0,8% FS per gli encoder a filo. Il confronto però vale solo fino a 2,5 m, perché oltre quella corsa il magnetostrittivo non è un'opzione. I valori completi sono nella scheda di ciascun modello.
Quali uscite sono disponibili?
Per gli encoder a filo: CANopen su CET5, CET12 e CET20, analogica su CET12 Analog e CET5000 Analog, relè sul CET5000 Relay, che ha una soglia di intervento impostabile dall'utente. Tutte le famiglie di sensori magnetostrittivi MAG esistono in versione analogica e CANopen.
Si può misurare anche l'inclinazione?
Con l'encoder a filo sì. CET5, CET12 e CET20 in versione CANopen si possono ordinare con un inclinometro integrato opzionale a un asse, che rileva la variazione angolare attorno all'asse perpendicolare al piano di installazione. I datasheet indicano una risoluzione di 0,1° e un'accuratezza di ±0,3° a 25 °C. Lunghezza e angolo arrivano così dallo stesso sensore.
Resistono alle condizioni delle macchine mobili?
Sì. Encoder a filo e magnetostrittivi TSM lavorano da -40 a +85 °C. CET5 e MAG300 dichiarano resistenza a urti di 50 G secondo EN 60068-2-27 e a vibrazioni di 10 G fra 10 e 500 Hz secondo EN 60068-2-6. Il grado di protezione cambia da modello a modello: IP67 per il vano elettronica di CET5, CET5000 e CET12, IP66 per il CET20, IP67 per i MAG (IP69K per il MAG300 con sistema a innesto M12).
Come scegliere il modello giusto?
Si parte da dove si trova la parte da misurare e da quanto è lunga la corsa, poi si valutano precisione, cicli e uscita. Quando la risposta non è netta, il team tecnico TSM affianca il cliente nella scelta del modello e durante le prove pratiche di convalida. Per un confronto sul progetto si può scrivere dalla pagina contatti.