Inclinometro o encoder rotativo: come scegliere il sensore per misurare un angolo
Nella scelta fra inclinometro o encoder rotativo il punto di partenza è semplice: tutti e due misurano un angolo, ma con un riferimento diverso. L'inclinometro misura l'angolo rispetto alla direzione della gravità, su uno o due assi, e dice quanto una parte della macchina è inclinata rispetto all'orizzontale. L'encoder rotativo rileva la posizione angolare assoluta di un magnete che ruota rispetto al sensore, quindi misura l'angolo fra due parti della macchina che girano una rispetto all'altra.
Prima di confrontare campi di misura e uscite conviene quindi chiedersi rispetto a cosa va misurato l'angolo. Se la risposta è "rispetto al terreno", serve un inclinometro. Se è "rispetto a un'altra parte della macchina", serve un encoder rotativo. Detta così sembra ovvia, ma è la domanda che chiarisce quasi tutti i dubbi. E su molte macchine mobili la risposta è "tutti e due".
Cosa misura un inclinometro
Gli inclinometri TSM Sensors usano la tecnologia MEMS. Nel chip ci sono piccole masse sospese fra piastre capacitive: quando il sensore si inclina le masse si spostano, cambia la distanza fra le piastre e con lei la capacità. Misurando questa variazione il sensore ricava l'angolo.
L'inclinometro si fissa direttamente sulla parte di cui interessa l'inclinazione (un braccio, un telaio, una piattaforma) e non ha bisogno di un collegamento meccanico con un'altra parte della macchina. Il suo riferimento è la gravità, che è sempre disponibile.
Il campo di misura dipende dal modello e dal numero di assi:
- TLP300 CANopen: fino a ±85° nella versione a due assi, ±180° o 0-360° nella versione a un asse
- TLP300 Analog e TLA200 Analog: fino a ±60° a due assi, ±180° o 0-360° a un asse
- TLP200 Analog: un asse con montaggio a parete, campo 0-360° e uscita 4-20 mA
La risoluzione è di 0,01° su tutti questi modelli. Il TLP300 CANopen si ordina in versione statica oppure dinamica, cioè con funzione di compensazione giroscopica: il datasheet la descrive come integrazione di accelerometri e giroscopi con algoritmi proprietari di sensor fusion. L'intera gamma è nella pagina degli inclinometri TSM.
Cosa misura un encoder rotativo
Gli encoder rotativi TSM sono magnetici e sfruttano l'effetto Hall: il sensore rileva la posizione angolare assoluta di un piccolo magnete dipolare che ruota sopra la sua superficie. La misura è assoluta a giro singolo, su 0-360°, con risoluzione predefinita di 0,01° e selezionabile a 0,1° o 1°.
Qui il riferimento non è la gravità, ma la parte su cui è fissato il corpo del sensore. Le architetture sono due.
- Con albero: RTA100 e RTP100H. L'albero del sensore si accoppia all'asse da misurare. Per l'RTA100 il datasheet indica una velocità di rotazione inferiore a 120 giri/min e un carico massimo sull'albero di 20 N radiale e 20 N assiale.
- Senza albero: RTS100, RTP100, RTE200 e RTB100. Il magnete si monta sulla parte che ruota e il sensore resta a una distanza di lavoro definita. Per l'RTS100 il datasheet indica una distanza assiale consigliata di 2 mm, con traferro ammesso fra 1 e 4 mm. Ci sono anche vincoli di montaggio: il magnete non va inserito in un supporto ferromagnetico né messo a contatto con superfici ferromagnetiche, e il sensore si fissa con viti in acciaio inox amagnetico.
Tutti gli encoder rotativi TSM hanno uscita CANopen, conforme al profilo CiA 301. Modelli e configurazioni sono raccolti nella pagina degli encoder rotativi.
Inclinometro ed encoder rotativo a confronto
La tabella mette in fila le differenze che contano in fase di progetto. Il confronto riguarda solo i sensori che restituiscono un angolo continuo, e i valori numerici vengono dai datasheet dei modelli citati.
| Inclinometro | Encoder rotativo | |
|---|---|---|
| Riferimento della misura | Direzione della gravità | Rotazione di un magnete rispetto al sensore |
| Cosa restituisce | Inclinazione di una parte rispetto all'orizzontale, su uno o due assi | Angolo fra due parti che ruotano una rispetto all'altra |
| Tecnologia TSM | MEMS | Effetto Hall, senza contatto |
| Montaggio | Sulla parte da misurare | Corpo su una parte, magnete o albero sull'altra |
| Campo di misura | Fino a ±85° a due assi, fino a 360° a un asse (secondo il modello) | 0-360° a giro singolo |
| Risoluzione | 0,01° | 0,01° (selezionabile 0,1° o 1°) |
| Uscite | Analogica (TLP200, TLP300 Analog, TLA200) o CANopen (TLP300 CANopen) | CANopen |
| Modelli TSM | TLP200, TLP300, TLA200 | RTS100, RTA100, RTP100H, RTP100, RTE200, RTB100 |
Restano fuori dal confronto il TLK100, un interruttore di inclinazione a relè, e il TLP210, un accelerometro triassiale: nessuno dei due restituisce un angolo continuo. Tutti e due fanno parte della gamma inclinometri e sensori di inclinazione.
Quale sensore usare sulla macchina: esempi applicativi
Gru su autocarro
Sulle gru per autocarri il TLP200 rileva l'inclinazione del braccio e del JIB. Il riferimento è l'orizzontale, quindi il lavoro spetta a un inclinometro. L'angolo di rotazione della gru, invece, è un angolo fra due parti della macchina, e lì si usa un encoder rotativo: l'RTS100, senza albero, oppure l'RTP100H, con albero.
Escavatore
Sull'escavatore il TLP300 misura l'angolo del braccio e rileva l'inclinazione del veicolo e della benna, mentre l'RTS100 fornisce la posizione della benna. Può sembrare un doppione, ma le due misure hanno riferimenti diversi: l'inclinometro legge l'inclinazione rispetto alla gravità, l'encoder la posizione angolare fra le parti su cui è montato.
Macchine agricole
Sulle irroratrici il TLP200 rileva l'inclinazione delle ali e l'RTS100 controlla apertura e chiusura di ali e boom. Sul trattore l'RTA100, con albero, lavora sul controllo dello sterzo.
In tutti e tre i casi i due sensori convivono sulla stessa macchina, perché misurano cose diverse.
Quando servono entrambe le misure: l'RTS100
In alcuni punti della macchina servono insieme la rotazione e l'inclinazione. Per questi casi TSM produce l'RTS100, un sensore multivariabile che in un corpo da 50 mm di diametro misura contemporaneamente la posizione angolare, con effetto Hall, e l'inclinazione, con componenti MEMS.
L'inclinometro integrato è opzionale e si sceglie in fase d'ordine: a un asse, a due assi con montaggio a pavimento o a due assi con montaggio a soffitto, in versione statica o dinamica. Il sistema di controllo riceve così le due misure dallo stesso nodo CANopen, con un solo dispositivo da montare e da cablare.
Domande frequenti su inclinometro ed encoder rotativo
Un inclinometro può sostituire un encoder rotativo?
Solo quando l'angolo che interessa è riferito all'orizzontale. Se serve l'angolo fra due parti della macchina, come la rotazione della gru o l'angolo di sterzata, l'inclinometro non può ricavarlo, perché il suo unico riferimento è la gravità. In quel caso serve un encoder rotativo.
Qual è la differenza fra encoder con albero e senza albero?
Nei modelli con albero (RTA100, RTP100H) il sensore ha un proprio albero da accoppiare all'asse da misurare. Nei modelli senza albero il magnete è montato sulla parte che ruota e il sensore ne legge la posizione a una distanza di lavoro indicata a datasheet. Criteri di scelta e modelli sono approfonditi nella pagina degli encoder rotativi TSM.
Meglio un'uscita analogica o CANopen?
Dipende dall'elettronica di bordo. Gli inclinometri TSM esistono in versione analogica (TLP200, TLP300 Analog, TLA200) e CANopen (TLP300 CANopen), mentre tutti gli encoder rotativi TSM hanno uscita CANopen. Se la macchina ha già una rete CANopen, il sensore si collega a quella. Se il controllore legge ingressi analogici, la strada più diretta è un inclinometro con uscita in tensione o in corrente.
Che precisione hanno inclinometri ed encoder rotativi TSM?
La risoluzione è di 0,01° sia sugli inclinometri sia sugli encoder rotativi. Gli altri valori cambiano da modello a modello. TLP300 (CANopen e Analog) e TLA200 dichiarano un'accuratezza di ±0,3° a 25 °C, il TLP200 una linearità di ±0,5° a 25 °C. Su TLP300 CANopen e TLP200 la deriva termica tipica è di ±0,01 °/°C. Fra gli encoder, RTA100 e RTS100 dichiarano una linearità di ±0,5° a 25 °C; per l'RTS100 il datasheet precisa che qualsiasi offset o disallineamento aggiuntivo del magnete aumenta la non linearità. L'RTP100H dichiara una linearità fino a ±0,5°.
Resistono alle condizioni delle macchine mobili?
Sì. RTS100, RTA100, TLP200, TLP300 e TLA200 lavorano da -40 a +85 °C e resistono a urti di 50 G secondo EN 60068-2-27 e a vibrazioni secondo EN 60068-2-6. Il grado di protezione dipende dal modello: IP67 per RTS100, RTA100 e TLP200, IP68 per TLP300 e TLA200.
Come scegliere il modello giusto per la propria applicazione?
Si parte da tre domande: rispetto a cosa va misurato l'angolo, su quanti assi e con quale 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.