Risolvere le sfide ingegneristiche del rilevamento della rotazione in ambienti difficili

Il rilevamento della rotazione è fondamentale per molte applicazioni gravose e robuste, in cui è necessario il monitoraggio affidabile della posizione e del movimento per un funzionamento corretto. I metodi di rilevamento tradizionali basati sul contatto possono deteriorarsi nel tempo a causa dell'usura, della contaminazione o delle sollecitazioni meccaniche. I sensori di rotazione a effetto Hall senza contatto soddisfano questi requisiti fornendo una retroazione di posizione affidabile e di alta precisione in un'ampia gamma di applicazioni, quali macchinari di produzione, automazione, movimentazione dei materiali, robotica, posizionamento di pannelli solari, flussometri, valvole, ammortizzatori, trasporti e veicoli fuoristrada.

I sensori a effetto Hall si basano sul principio scientifico dell'effetto Hall, che prende il nome dal celebre fisico americano Edwin Hall che scoprì il fenomeno nel 1879. I sensori che utilizzano il principio dell'effetto Hall creano un segnale di posizione quando un materiale semiconduttore percorso da corrente si trova in presenza di un campo magnetico perpendicolare al percorso della corrente. Il campo magnetico esercita una forza sui portatori di carica mobili, provocandone lo spostamento e l'accumulo su un lato specifico del materiale. Come conseguenza, questa segregazione di carica induce una tensione attraverso il materiale, denominata tensione di Hall (V_H).

Configurazioni del sensore di rotazione a effetto Hall

Nei sensori di rotazione, un circuito integrato (CI) a effetto Hall rileva le variazioni di un campo magnetico generato da un magnete collegato a un albero rotante, fornendo una uscita di tensione proporzionale alla posizione angolare. Questi sensori utilizzano un'alimentazione esterna in tensione c.c. per alimentare il CI stazionario; con un alimentatore stabilizzato, sono progettati per funzionare a 5 V_c.c..

Quando l'albero ruota, il sensore interno misura la tensione proporzionale indotta (tensione di Hall) dovuta alle variazioni dell'intensità del campo magnetico. Tali misurazioni vengono convertite in un segnale di tensione c.c. preciso che rappresenta la posizione angolare per due casi d'uso fondamentali:

• Il segnale di tensione c.c. può essere utilizzato direttamente oppure amplificato per pilotare un attuatore analogico proporzionale, creando un controllo ad anello chiuso basato sulla rotazione.
• Il segnale di tensione c.c. può essere collegato a un convertitore analogico/digitale (ADC) per fornire un valore digitale utilizzabile da PLC (controller a logica programmabile), microcontroller o altri sistemi elettronici digitali.

La serie RTY a doppia uscita offre un funzionamento reale senza contatto

Per tradurre questi principi in prestazioni reali, i sensori di rotazione a effetto Hall di alta precisione serie RTY a doppia uscita (Figura 1) di Honeywell Sensing offrono prestazioni robuste e durature e una maggiore durata del prodotto. Progettati per soddisfare i requisiti di specifiche di applicazioni gravose e robuste, i sensori serie RTY sono alimentati da un alimentatore c.c. esterno e forniscono un'uscita di tensione c.c. proporzionale alla posizione di rotazione angolare, tipicamente nell'intervallo da 0,5 V_c.c. a 4,5 V_c.c., con risoluzione a 12 bit. Molti sensori forniscono una seconda uscita invertita proporzionale da 4,5 V_c.c. a 0,5 V_c.c., consentendo di confrontare le due uscite per assicurare il corretto funzionamento dell'unità.

Figura 1: I sensori di rotazione a effetto Hall serie RTY di Honeywell Sensing sono progettati per applicazioni gravose che richiedono il monitoraggio preciso della posizione e del movimento. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing)

Le caratteristiche dei sensori di rotazione a effetto Hall serie RTY includono:

• Connettori AMPSEAL standard del settore
• Capacità di doppio segnale per consentire la ridondanza e assicurare l'accuratezza
• Durata del prodotto di 35 milioni di cicli, che supporta l'impiego a lungo termine in applicazioni con cicli di lavoro elevati
• Intervallo di temperatura di funzionamento da -40 a +125 °C
• Test EMI/EMC di grado automotive

Tutte le configurazioni dei sensori serie RTY sono disponibili anche con o senza leva sull'albero integrato (Figura 2), caratteristica che può influire sul numero di leveraggi meccanici necessari per alcune applicazioni, rendendoli economicamente vantaggiosi per alcune soluzioni.

Figura 2: I sensori di rotazione a effetto Hall serie RTY sono disponibili in versioni con o senza leva, per una maggiore flessibilità nei leveraggi meccanici. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing)

Le molteplici varianti dei sensori consentono inoltre ai progettisti di soddisfare una miriade di requisiti tecnici, dall'intervallo di rilevamento al tipo di uscita, al tipo di attuatore. Tolleranti all'oltrecorsa, sono disponibili in otto intervalli di funzionamento configurabili. Il modello RTY050LVDDX, ad esempio, offre ai progettisti un intervallo di rilevamento di 50° (±25°), mentre RTY360LVDEX consente un intervallo di rilevamento di 360° (±180°). La serie RTY offre anche configurazioni di uscita standard e inverse per consentire caratteristiche di uscita adatte ai requisiti del sistema.

I sensori sono alloggiati, insieme ai circuiti di protezione e condizionamento del segnale elettrico, in un contenitore robusto sigillato con grado di protezione IP69K, per una maggiore durata negli ambienti più difficili. Questo tipo di confezionamento è ideale per gli ambienti igienici e soggetti a lavaggi intensivi, come la trasformazione alimentare, la produzione farmaceutica e la pulizia dei veicoli pesanti. Il contenitore con grado di protezione IP69K, il più elevato, garantisce che i sensori siano completamente a tenuta di polvere e protetti dai lavaggi ad alta pressione e alta temperatura. Il montaggio avviene con viti M5 in acciaio inox non magnetiche e rondelle con diametro esterno di 10 mm.

Esempi di applicazione dei sensori di rotazione

La serie RTY, che si aggiunge alla famiglia di sensori di rotazione a effetto Hall robusti e affidabili di Honeywell, può essere utilizzata in una varietà di applicazioni:

Nautica: questi sensori vengono utilizzati per i sistemi di rilevamento della posizione del timone nelle imbarcazioni e nelle moto d'acqua da diporto. Un sensore di rotazione a effetto Hall è collegato al leveraggio dello sterzo e i segnali di posizione vengono rimandati a un display digitale sul cruscotto, indicando la posizione del timone. Il sensore di posizione può essere utilizzato anche per rilevare la posizione dei correttori di assetto, che contribuiscono a stabilizzare le imbarcazioni e a portare più velocemente lo scafo in planata per una maggiore velocità ed efficienza.

Trasporti: i sensori di rotazione a effetto Hall possono essere utilizzati per sostituire il collegamento meccanico a cavo tra il pedale e il motore nelle attrezzature per impieghi gravosi e in altri veicoli. Ad esempio, il sensore può essere montato in prossimità del pedale per misurare quanto a fondo il pedale venga premuto e rilasciato dall'operatore. Rileva la variazione della posizione del pedale e invia un segnale al motore per aumentare o ridurre il flusso di carburante e aria attraverso la valvola a farfalla, a seconda delle necessità.

L'eliminazione del cavo meccanico, soggetto ad allungamento e arrugginimento, può migliorare la reattività del sistema di controllo del motore, a vantaggio delle emissioni del veicolo, dell'affidabilità e della riduzione del peso in eccesso del veicolo. Questo tipo di sistema drive-by-wire può essere più sicuro e meno costoso dei sistemi con collegamenti cablati.

Industria: i sensori di rotazione a effetto Hall possono anche fornire una retroazione affidabile della posizione della valvola per ottenere un controllo del flusso di alta precisione, in particolare in ambienti difficili con requisiti di ampio intervallo di temperatura. Il rilevamento della posizione della valvola è fondamentale per garantire l'accuratezza del processo, la sicurezza del sistema e l'efficienza operativa, fornendo agli operatori e ai sistemi di controllo automatizzati dati precisi e in tempo reale sullo stato della valvola. L'utilizzo della retroazione di posizione riduce l'isteresi e i tempi morti e fornisce una risposta più rapida e fluida alle variazioni del processo.

HVAC: per regolare il flusso dell'aria nelle applicazioni HVAC, i sensori per la retroazione della posizione dello smorzatore consentono un controllo più accurato per l'efficienza ambientale e il comfort degli occupanti. Il rilevamento della posizione dello smorzatore è fondamentale per mantenere un flusso d'aria HVAC preciso, ottimizzare l'efficienza energetica evitando l'uso eccessivo delle ventole, garantire la sicurezza attraverso il controllo dei fumi e degli incendi e fornire un feedback ai sistemi di automazione per evitare guasti operativi.

Agricoltura: questi sensori funzionano anche in condizioni ambientali esterne difficili, consentendo un feedback accurato per il controllo dei sistemi di irrigazione a pivot, permettendo agli agricoltori di monitorare, gestire e automatizzare da remoto le macchine di irrigazione a pivot centrale, aumentando l'efficienza idrica e riducendo la manodopera.

Conclusione

I sensori di rotazione a effetto Hall senza contatto offrono a progettisti e ingegneri una soluzione affidabile e duratura per il rilevamento della posizione in ambienti difficili e impegnativi. Eliminando i punti di usura meccanica e fornendo segnali di uscita proporzionali precisi, questi sensori migliorano le prestazioni del sistema, riducono la manutenzione e prolungano il ciclo di vita operativo. Soluzioni come la serie RTY di Honeywell combinano una costruzione robusta con configurazioni flessibili e protezione ambientale per supportare un controllo del movimento accurato in un'ampia gamma di applicazioni industriali e di trasporto.