Magnetostrizione
Informazioni fisiche di base
Temposonics®
Sensori di posizione
La crescente richiesta di maggiore precisione, affidabilità e robustezza nei sistemi di misura industriali ha portato
ad un costante aumento dell`utilizzo della tecnologia magnetostrittiva.
Temposonics®
Sensore di posizione assoluto e lineare, privo di contatto meccanico basato sul principio della
magnetostrizione.
Storicamente, i principi di base della misura di lunghezze basata sulla
magnetostrizione risalgono allo scorso secolo. Gli studi sull’elettromagnetismo hanno evidenziato fenomeni in parte usati nei sistemi di
misura qui presentati e sviluppati in sensori di posizione ultra precisi
per applicazioni industriali.
Teoria
La magnetostrizione è un fenomeno riscontrabile solamente nei
materiali ferromagnetici come l’oro, il nichel, il cobalto e le loro leghe.
I principi della magnetostrizione sono basati su alcune proprietà
magneto-meccaniche di questi materiali; tali materiali, posti in un
campo magnetico, subiscono microscopiche distorsioni della struttura molecolare che causano una variazione della loro dimensione.
Le ragioni fisiche di tale fenomeno sono da ricondursi all’esistenza di
un elevato numero di microscopici magneti elementari che lo compongono. Queste particelle, se non sottoposte all’azione di un
campo magnetico esterno, mostrano la tendenza ad allinearsi parallelamente in una determinata area. In una data area tutti i magneti
elementari sono infatti orientati in una unica direzione.
Nei sensori MTS il campo magnetico longitudinale è creato parzialmente nell’elemento sensibile a forma di barra dal magnete permanente o datore di posizione. Facendo scorrere una corrente elettrica
l’elemento sensibile subisce una determinata distorsione.
Inoltre, il metodo di misura MTS impiega l’effetto magnetoelastico
(effetto Villary). Questo effetto correla la variazione di campi magnetici
longitudinali con la variazione ad esempio della conducibilità di barre
ferromagnetiche indotte appunto da tali variazioni magnetiche.
Come risultato, tali variazioni indotte dai campi magnetici, possono
essere trasformate in segnali elettrici e risultano adatti ad un controllo
elettronico.
Barra ferromagnetica
Corrente
I materiali ferromagnetici, a causa della disposizione casuale delle
varie aree, ad una prima valutazione appaiono privi di alcuna proprietà magnetica; comunque, appena sottoposte al campo di un magnete esterno, queste aree ruotano e si dispongono in direzione tra loro
parallela. Il campo magnetico così prodotto può essere centinaia o
migliaia di volte più forte del campo magnetico esterno.
Ponendo ad esempio una barra di materiale ferromagnetico in un
campo magnetico orientato parallelamente al direzione longitudinale
della barra stessa, si verificano delle variazioni della lunghezza della
barra. L’incremento della lunghezza della barra causato dalla magnetostrizione (effetto joule) è molto modesto: indicativamente 10 ¯ 8.
(Fig.1)
(Fig. 2) In conseguenza all’interazione di due campi magnetici, l’effetto Wiedemann causa la distorsione meccanica della barra
ferromagnetica nella quale scorre una corrente elettrica.
Traducendo in pratica
Per impiegare a scopo di misura precisa i fenomeni fisici sopra descritti, nella Fig. 3 è visualizzata la costruzione schematizzata scelta
per il sensore. I sensori MTS sono costituiti da cinque parti principali:
·
·
·
·
·
∆L = variazione relativa della lunghezza
(Fig. 1) L’effetto magnetostrittivo (∆L) è dovuto all’orientamento delle
micro aree sottoposte all’influenza del campo magnetico esterno
parallelo alla barra.
L’effetto magnetostrittivo, come interazione di parametri magnetici e
meccanici di materiali ferromagnetici, può essere ottimizzato selezionando e variando speciali leghe metalliche e controllando con precisione l’influenza del campo magnetico esterno.
L’applicazione dell’effetto magnetostrittivo su prodotti industriali si
basa sul principio chiamato effetto di Wiedemann che descrive la distorsione di una lunga barra ferromagnetica in un campo magnetico
longitudinale esterno: una corrente elettrica che scorre nella barra
genera un campo magnetico concentrico.
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elemento rilevatore (guida onda)
elettronica del sensore
magnete permanente per la determinazione della posizione
convertitore di impulsi
giunzione alla fine dell’elemento rilevatore
Il cuore del sistema è l’elemento rilevatore ferromagnetico, chiamato
comunemente guida onda, perché serve da conduttore per l’onda
ultrasonica torcente fino al convertitore di impulsi.
La misura di posizione è definita da un magnete permanente collocato intorno al guida onda. Questo magnete di posizionamento, che è
rigidamente collegato all’oggetto di cui si vuole effettuare la misurazione, produce il campo magnetico longitudinale all’interno del guida
onda.
Una caratteristica importantissima è la totale assenza di usura meccanica grazie all’assenza di contatto meccanico tra il magnete di
posizione e l’elemento sensibile (guida onda): misurazioni prive di
contatto meccanico, e quindi di usura, garantiscono la lunghissima
vita del sensore.
Per eseguire la misurazione, l’elettronica del sensore invia un breve
impulso di corrente lungo il guida onda. Nel passaggio lungo il guida
onda, l’impulso è influenzato dal campo magnetico del secondo magnete datore di posizione. (Fig. 3)
Nella posizione del magnete permanente il guida onda, con caratteristiche magnetostrittive, subisce la distorsione elastica (effetto
Wiedemann). Gli impulsi elettrici subiscono così una variazione a
causa degli effetti del magnete permanente sul guida onda generando
due onde soniche torsionali partendo dal punto di interazione con il
magnete permanente verso i due estremi della barra guida onda.
L’effetto degli impulsi sonici lungo il guida onda fino all’arrivo sulla
giunzione finale è accuratamente rilevato e senza alcuna interferenza,
mantenendo la precisione del segnale di misura.
La rilevazione della variazione subita dagli impulsi elettrici avviene in
uno speciale sistema di conversione degli impulsi al termine del guida
onda: una lamella di materiale magnetostrittivo connessa al guida
onda, un rilevatore di induzione a bobina e un altro magnete permanente.
All’arrivo dell’impulso sonico si genera una variazione nella lamella di
materiale magnetostrittivo secondo il principio di Villary. Tali rapide
variazioni prodotte nel magnete permanente generano correnti elettriche nella bobina sensibile, che vengono elaborate dall’elettronica del
sensore.
Gli impulsi viaggiano costantemente a velocità ultrasonica lungo il
guida onda. La posizione del magnete permanente è misurata costantemente con estrema precisione grazie ai tempi impiegati dagli impulsi:
il magnete permanente influenza infatti il tempo di percorrimento e di
ripetizione degli impulsi.
Impulso di forza
1.
2.
3.
Guida onda
(Fig. 4) Comparazione di convertitori alternativi di impulsi
Anche se questa tecnica potrebbe apparire complessa, conoscere le
varie caratteristiche serve per comprendere appieno i ben noti vantaggi dei sensori MTS: ad esempio la massima accuratezza fisica
nell’esecuzione costante di misure e la durata inalterata nel tempo
dei materiali ferromagnetici. Inoltre, grazie all’ingegnerizzazione accurata frutto della conoscenza MTS, il sensore non è soggetto ad
influenze esterne come ad esempio alle vibrazioni meccaniche.
Tutte queste caratteristiche dei sensori di posizione MTS contribuiscono a fornire precisione, durata e riproducibilità delle misure.
Impulso di forza
Campo del magnete
permanente
Elemento magnetostrittivo
(guida onda)
Impulso di
corrente
Campo
magnetico
dell’impulso
di corrente
Magnete permanente scorrevole
Impulso di forza
da convertire
(Fig. 3) I componenti principali del sistema di misura Temposonics
sono: elettronica, guida onda, magnete permanente di posizione,
convertitore d’impulsi.
Lo sviluppo di sensori per la misura di posizione adatti ad impieghi
industriali richiede notevoli competenze in fase di produzione.
Gli ingegneri progettisti MTS sono dotati di sofisticatissimi sistemi di
sviluppo e misura e di profonde conoscenze della fisica, a cui si aggiungono decenni di esperienza con i metalli magnetostrittivi e non.
Abbiamo riportato nella Fig. 4 alcuni studi comparativi per esaminare
differenti sistemi di conversione degli impulsi in segnali elettronici di
misura.
1. Rilevazione diretta dell’impulso con una bobina direttamente
coassiale al guida onda
2. Rilevazione meccanica con un rilevatore piezoelettrico
3. Rilevazione tramite sezione perpendicolare al guida onda con
bobina
Gli esperimenti hanno dimostrato che la versione 3 nella Fig. 4
è la soluzione più efficiente per ottenere un preciso effetto magnetostrittivo: viene così infatti rilevata solo la parte utile dell’impulso evitando altri effetti indesiderati o vibrazioni longitudinali.
Questa soluzione presenta l’indubbio vantaggio di un’altissima
precisione ed un’assenza di effetti dovuti a vibrazioni, essendo
infatti assolutamente insensibile ad effetti meccanici esterni.
Precisione elevatissima e riproducibilità delle misure sono assicurati dalla notevole esperienza degli ingegneri MTS come
dimostrano tutti i sensori sviluppati.
Accrescere le nostre conoscenze continuamente nelle migliori
tecnologie è il nostro principale impegno.
I sensori di posizione Temposonics sono equipaggiati con uscite
dirette per applicazioni senza ulteriori interfacce. In aggiunta alle uscite standard di mercato analogica e digitale punto punto parallele
(BCD, Binary, Gray) ed interfaccia seriale (SSI), il sensore di posizione
è disponibile per connessioni dirette con FieldBus standard,
CANopen, CANbasic, DeviceNet, Profibus-DP e InterBus-S.
Altre uscite possono essere realizzate su richiesta.
I sensori di posizione Temposonics offrono tutti i vantaggi dei principi
magnetostrittivi: assenza di contatto, misurazione priva di usura delle
parti, massima riproducibilità, massima vita di utilizzo. Grazie all’ottima linearità e ripetibilità dei sensori magnetostrittivi MTS, non è
necessaria nessuna operazione per la regolazione della posizione
zero.
I severi test di qualità assicurano che ogni singolo prodotto fornisca
massime prestazioni senza alcuna necessità di calibrazioni durante
l’intera vita del sensore.
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Certificazioni:
Reg. No. 30095-01
FLUID POWER
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