Confronto carica-ICP
Gli accelerometri piezoelettrici sono la prima scelta in molte applicazioni di misura di vibrazioni dal momento che hanno un'elevata risposta in frequenza, buone sensibilità e risoluzione e sono facili da installare.
Analizziamo alcuni tra i fattori che si possono considerare nella scelta tra modelli carica e ICP:
-FATTORE TEMPERATURA DI UTILIZZO
Un accelerometro ICP è uno strumento in cui l'amplificatore di carica è integrato nel trasduttore e quindi non richiede amplificatori esterni e utilizza cavi coassiali a basso costo.
Necessita di un'alimentazione a corrente costate che, tuttavia, può essere facilmente fornita da quasi tutti i moderni sistemi di acquisizione dati (DAQ). Ha comunemente un range di temperature di utilizzo che varia tra i -55°C e i 125°C anche se esistono speciali versioni il cui range di temperatura arriva fino ai 175°C.
Uno dei vantaggi degli accelerometri in carica è l'elevata temperatura di utilizzo che va da -55°C a 288°C con estensioni per applicazioni speciali che permettono di arrivare fino a -269°C e +760°C.
-FATTORE SPORCIZIA/PULIZIA DELL'AMBIENTE DI UTILIZZO
In qualsiasi tipo di sistema di misura, ogni elemento, che compone la catena di misura (sensore, cavo, amplificatore), dovrebbe essere mantenuto pulito e asciutto per poter offrire caratteristiche tecniche preformanti.
Se acqua e/o umidità si infiltrano nei connettori dei cavi, si genera un falso contatto (corto) sia nei trasduttori in carica sia negli ICP. Tuttavia, gli accelerometri in carica sono molto più sensibili a contaminazioni esterne a causa della loro alta impedenza. Ciò richiede una certa attenzione nella manutenzione quotidiana. Quindi, in test dove si prevede un ambiente fortemente inquinato o sporco, è consigliato l'utilizzo di sensori a bassa impedenza (ICP).
-FATTORE LUNGHEZZA DEL CAVO
Il rapporto segnale/rumore nei trasduttori in carica è influenzato dalla capacità (lunghezza del cavo) tra il sensore e l'amplificatore di carica. In applicazioni dove la lunghezza dei cavi supera i 60 metri circa, il rumore di fondo può aumentare anche di 4 volte rispetto a quello che si incontra nei cavi corti. Il limite entro cui il rumore aggiunto dal cavo può essere considerato trascurabile è 15 metri.
Va considerato inoltre che il costo di cavi speciali che minimizzano il rumore elettrico diventa importante rispetto a quello di cavi coassiali generici.
-FATTORE DURATA
I trasduttori in carica hanno senza dubbio una durata maggiore perché maggiore è la loro semplicità. Si può facilmente comprendere se si considera un'applicazione in condizioni ambientali estreme. In molti ambiti di analisi di stress ambientale, ad esempio, l'accelerometro si trova sottoposto a cicli termici e profili di applicazioni di sollecitazioni dinamiche. Se viene utilizzato un accelerometro ICP, l'amplificatore integrato è sottoposto allo stesso tipo di stress termico e meccanico. Con un accelerometro in carica si può, invece, posizionare il sistema di condizionamento esternamente ed evitare di sottoporlo a dannose sollecitazioni.
Scelta dell'accelerometro in base all'applicazione
-MISURE DI MOTO
Quando si deve selezionare un accelerometro, è necessario capire se si deve misurare una vibrazione o se si deve caratterizzare il moto di un elemento, ossia se si è interessati anche alla velocità e allo spostamento di un corpo rigido (o di una parte di esso)
Usando un accelerometro per caratterizzare il moto di un corpo (per esempio la velocità del braccio di un robot che si muove lentamente o di un ascensore/piano di carico) I dati misurati non devono contenere alcun errore di spostamento dello zero. La presenza di un piccolissimo errore di offset nell'accelerazione può portare a grossi errori nel calcolo della velocità e dello spostamento dovuti all' INTEGRAZIONE numerica effettuata sui dati di partenza.
Gli accelerometri piezoelettrici hanno la caratteristica di produrre errori di offset quando tentano di inseguire segnali che variano troppo lentamente nel tempo e quindi sono da escludere per questo tipo di applicazione.
Sensori come i piezoresistivi risultano più adatti in quanto non sono soggetti a zero offset nella misura di un segnale DC.
Dato che la qualità del segnale di accelerazione influenza il risultato dell'operazione di integrazione (velocità) o doppia integrazione (spostamento), avere un accelerometro con una buona risoluzione e un buon rapporto segnale/rumore può risultare determinate.
-MISURE DI VIBRAZIONI AD ALTA FREQUENZA
Misure di vibrazioni di motori, turbine o elementi meccanici rotanti ad alta velocità richiedono accelerometri con caratteristiche eccezionali in alta frequenza. Quindi l'elevata frequenza di risonanza dell'accelerometro è un prerequisito. Tuttavia, un'elevata frequenza di risonanza significa una sensibilità molto bassa. Se i segnali da misurare hanno ampiezze molto piccole, questo può essere un limite.
Se si considera come parametro di scelta la frequenza propria dell'accelerometro e visto che la maggior parte dei sensori per alte frequenze non è smorzata, le armoniche provenienti dalla struttura da analizzare possono eccitare il trasduttore mandandolo in risonanza con conseguente distorsione del segnale e saturazione dell'elettronica di condizionamento.
Si deve verificare che il massimo contenuto armonico del segnale sia sufficientemente lontano dalla zona di risonanza.
I trasduttori piezoelettrici con frequenza di risonanza superiore ai 30kHz sono generalmente i più adatti a questo tipo di misura anche perché riescono ad avere una sensibilità non troppo ridotta che permette la lettura di piccole ampiezze.
Alcuni modelli speciali piezoresistivi possono arrivare ad 1 Mhz di frequenza propria ma hanno sensibilità troppo basse che li rendono meno adatti a questa famiglia di misure.
E' importante considerare la metodologia di montaggio. Il montaggi con stud quando possibile è quello che garantisce misure affidabili sopra i 10 kHz.
-MISURE DI VIBRAZIONI A BASSA FREQUENZA
Alcune misure di monitoraggio ambientale di ponti, solette o palazzi ad esempio, richiedono trasduttori con ottime caratteristiche in bassa frequenza. Quindi, anche in questo caso, trasduttori in grado di misurare segnali vicini alla DC sono preferibili, come ad esempio i piezoresistivi ed i servo accelerometri.
In questi casi, la sensibilità del trasduttore alla deformazione della base di appoggio su cui viene applicato può indurre errori di misura perché il segnale prodotto dalla deformazione della base (che può essere importante quando ci sono basse frequenze ed alti spostamenti) non si distingue dal segnale da misurare. Un montaggio con adesivo, in questo caso può disaccoppiare i due sistemi (trasduttore-base) e ridurre il problema.
-MISURE DI VIBRAZIONI A BASSA FREQUENZA-servoaccelerometri
La massa sismica è sospesa alla cassa del trasduttore mediante molle, un fluido viene utilizzato per smorzare il moto della massa sismica. Il funzionamento è basato su di un sistema elettronico che, grazie ad una bobina e ad una corrente circolante, mantiene fissa la massa sismica rispetto alla scatola collegata al corpo di cui si vuole misurare la vibrazione.
La corrente necessaria per tenere ferma la massa è proporzionale all’accelerazione dello strumento.
La frequenza propria di questi trasduttori è solitamente inferiore ai 400 Hz e pertanto la loro banda passante è superiormente limitata. Sono dei sensori in genere pesanti e ingombranti che però offrono il vantaggio di misurare con molta precisione segnali con bassa frequenza o accelerazioni statiche, quindi non soffrono dei limiti alle basse frequenze tipici degli accelerometri piezoelettrici.
Hanno lo svantaggio di essere estremamente delicati quando non alimentati poiché la massa è in grado di muoversi e le molle hanno bassa rigidezza
-MISURE DI SHOCK
Applicazioni come test di caduta di imballaggi, crash-test automobilistici, ATD (Antropomorfic Test Design) prevedono l'impiego di trasduttori con caratteristiche particolari.
A prescindere dalla tecnologia scelta, in questi tipi di applicazione è importante considerare la resistenza del sensore dato che con grande probabilità sarà sottoposto a sollecitazioni molto gravose in ambienti sfavorevoli. Inoltre, sovrastimare il fondoscala è una buona regola comportamentale in questa famiglia di misure.
In queste applicazioni esistono problematiche di zero-shift ossia si verifica che gli accelerometri piezoelettrici sono soggetti ad una variazione del loro livello di riferimento (zero) quando sono sottoposti ad elevate accelerazioni/decelerazioni, che però non viene dichiarato nelle specifiche tecniche del costruttore in quanto non è un parametro standard. Quindi, in caso di integrazione si ripetono i problemi visti per misure di moto, ossia si ottengono valori di velocità e spostamento non realistici.
Lo zero-shift di questi trasduttori è imputabile a più ragioni tra le quali:
a) La risonanza indotta da uno shock produce stress interni molecolari particolarmente elevati, che, in materiali policristallini come le ceramiche, possono produrre cariche spurie dovute ad un nuovo orientamento dei domini. Questo fenomeno genera uno shift del livello di continua nella time-history.
b) Nei materiali monocristallini come il quarzo, non si verifica il riorientamento dei dipoli elettrici, ma la risonanza indotta dallo shock è in grado di produrre degli assestamenti della struttura di precarico del cristallo che hanno come effetto una sorta di ciclo di isteresi che determina lo zero-shift del sensore.
c) Sempre nei sensori piezoelettrici monocristallini, lo zero-shift può essere prodotto non tanto da uno scorrimento/spostamento fisico delle parti ma dalla generazione di un'importante quantità di carica che satura l'elettronica di condizionamento.
Tuttavia dato che la limitazione dell'effetto di risonanza nei piezo sembra essere un fattore determinante per misure ad alta frequenza, sono stati sviluppati trasduttori per shock aventi smorzatori interni o filtri passa basso integrati che minimizzano l'effetto di zero-shift.
Sono stati inoltre sviluppati dei modelli speciali di piezoresistivi tipicamente immuni allo zero- shift che hanno anch'essi filtri meccanici o passa basso integrati per minimizzare l'amplificazione alla risonanza (1000:1) che può danneggiare comunque il sensore.
-MISURE DI MICRO VIBRAZIONI
Misure di vibrazioni a bordo del telescopio Hubble nello spazio o monitoraggi di rumore in un sottomarino richiedono accelerometri molto sensibili. Il rumore elettrico di fondo di questi trasduttori deve essere minimo. Quindi la scelta di un'elettronica di condizionamento opportuna ed un'alimentazione stabile diventano fattori determinanti nella qualità della misura. Accelerometri piezoelettrici di tipo ICP risultano idonei per l'ottimo rapporto segnale/rumore.
Ma tutte le tipologie di accelerometri con un'elevata sensibilità risultano sensibili a transienti termici, deformazioni della base di appoggio, rumore acustico. Quindi i trasduttori per questo tipo di applicazione, in genere, sono realizzati con caratteristiche specifiche opportune.
-MISURE DI VIBRAZIONI SU OGGETTI PICCOLI
La scelta in questi casi si focalizza sulla minimizzazione dell'effetto di carico del trasduttore. Deve essere considerato che il rapporto sensore: oggetto deve essere inferiore a 1:10.
Il metodo di montaggio è un altro punto rilevante della scelta, dato che non sempre è possibile filettare l'oggetto, si deve poter prevedere un montaggio con adesivo.
Inoltre, dato che gli oggetti piccoli hanno, in genere, frequenze proprie elevate, il sensore deve averne una propria superiore (spesso >50kHz).
-MISURE AD ALTE TEMPERATURE/ BASSE TEMPERATURE
Per misure in temperature al di sopra dei 200°C, i trasduttori piezoelettrici in carica sono i più adatti. Devono poter resistere in ambienti in cui la temperatura raggiunge facilmente i 400°C senza subire degradi che riguardino la frequenza di risonanza o la sensibilità. Inoltre, potendo posizionare l'elettronica di condizionamento lontano del punto di misura, hanno più probabilità degli ICP di resistere allo shock termico.
Le stesse considerazioni valgono per applicazioni criogeniche, dove i trasduttori piezoelettrici in carica danno ancora i migliori risultati.
Alcuni produttori forniscono calibrazioni del sensore fino a -269°C.
-MISURE IN AMBIENTI RADIOATTIVI
Misure effettuate in prossimità di sorgenti radioattive come reattori nucleari e relativi sistemi di pompaggio richiedono traduttori a prova di radiazioni. Dato che i livelli di radiazioni dipendono dalla distanza dalla sorgente, esistono diversi gradi di accelerometri a prova di radiazioni. In genere sono nuovamente gli accelerometri piezoelettrici in carica quelli che offrono le migliori prestazioni per questo tipo di misure, come sempre aiutati dal fatto che non hanno elettronica interna integrata.
