Un nuovo modo di usare la pneumatica: valvole piezoelettriche industriali

La fluidica è una delle forme più antiche di trasmissione della potenza, con radici che risalgono a molto prima dell’avvento dei controlli elettrici. Sfruttare la potenza dell’aria, dell’acqua e del vapore è diventato negli anni più semplice ed efficiente, fino ad arrivare all’era moderna.

Storicamente, il metodo più efficace per controllare i fluidi consisteva nell’utilizzare valvole elettriche oppure valvole meccaniche a molla, a seconda del risultato desiderato. Alcune valvole limitano la pressione, altre limitano la portata, mentre altre ancora forniscono semplicemente una direzione al flusso. La maggior parte delle versioni elettriche utilizza solenoidi (movimento lineare generato da bobine) o attuatori azionati da motore per ottenere un controllo preciso, e questa rimane un’ottima scelta per molte applicazioni.

Tuttavia, è entrato in gioco un nuovo elemento e, sebbene la tecnologia alla base non sia nuova, la sua applicazione ai controlli pneumatici è ancora piuttosto sconosciuta alla maggior parte degli ingegneri. Questo concetto è chiamato effetto piezoelettrico.

Ho avuto la fortuna di conoscere questa tecnologia durante una recente intervista con Daniella Gonzales, Product Manager Valvole di Festo, che merita anche un riconoscimento per aver fornito immagini e schemi.

 

Figura 1. Le valvole piezoelettriche funzionano con alta tensione, ma offrono la precisione necessaria per le applicazioni sensibili. Immagine utilizzata per gentile concessione di Festo

 

Che cosa significa piezoelettrico nell’elettronica?

Sebbene la scienza dei materiali sia complessa, l’effetto è piuttosto semplice. Quando determinati materiali sono sottoposti a sollecitazione (compressi, piegati, colpiti con un martello ecc.), generano una tensione. Anche altre grandezze fisiche generano una tensione quando sono soggette a variazioni:

• Effetto Seebeck: temperatura
• Effetto fotoelettrico: luce
• Elettrostatica: movimento per attrito

La maggior parte di queste tensioni è piuttosto bassa e l’effetto piezoelettrico non fa eccezione. La tensione generata sarà ridotta, a meno che la deformazione non sia piuttosto ampia.

Non tutti i materiali presentano questa proprietà; non è possibile semplicemente piegare una graffetta aspettandosi di generare elettricità. Questa proprietà si trova soprattutto in alcune ceramiche, nei polimeri e persino in alcuni materiali organici.

 

Effetto converso: provocare una deformazione

Questo effetto è bidirezionale, ed è un fattore fondamentale per comprenderne l’utilizzo nelle valvole pneumatiche.

Abbiamo affermato (e ciò è stato dimostrato molte volte) che l’applicazione di una sollecitazione deformante genera una tensione. Al contrario, applicare una tensione a determinati materiali provoca una flessione o una deformazione del materiale. In altre parole, possiamo provocare un movimento applicando elettricità. Una difficoltà significativa è che per deformare il materiale, anche solo leggermente, è necessaria una tensione elevata.

In passato, l’unico meccanismo di riferimento per generare movimento era l’elettromagnetismo, che comprende motori e solenoidi. Il movimento piezoelettrico è una buona alternativa, ma non è sempre la soluzione migliore; pertanto, non è probabile che sostituisca direttamente qualsiasi sistema di movimento in tempi brevi!

 

Applicazione dei materiali piezoelettrici alla pneumatica

All’interno di qualsiasi valvola (direzionale, di controllo del flusso, di regolazione della pressione o di altro tipo), alcuni componenti devono muoversi fisicamente. Nei distributori, i passaggi interni si aprono e si chiudono completamente, mentre all’interno delle valvole di controllo di processo si aprono con un certo livello di precisione. Il dispositivo piezoelettrico consente un controllo variabile e preciso, quindi è perfetto per la regolazione della pressione e il controllo del flusso, ma può essere utilizzato anche per le valvole direzionali.

All’interno della valvola, una porta di ingresso è bloccata da una lamina di materiale piezoelettrico. Quando viene applicata una tensione, il materiale si flette, aprendo il passaggio interno e consentendo all’aria di fluire verso l’uscita.

 

Figura 2. La tensione fornisce la forza di flessione, motivo per cui questi componenti sono chiamati "bender". Immagine utilizzata per gentile concessione di Festo

 

Alta tensione

Abbiamo menzionato una difficoltà che ostacola questa tecnologia: per funzionare, richiede una tensione elevata. Questa può essere 10 volte superiore o più rispetto al tipico sistema a 24 volt della pneumatica tradizionale. Le valvole piezoelettriche sono alimentate da moduli di tensione che convertono una tensione più bassa a corrente maggiore in una tensione elevata, ma a corrente estremamente bassa, consentendo comunque di risparmiare energia rispetto alle valvole a solenoide.

Questi moduli convertono spesso un segnale analogico da 0-10 V o 4-20 mA nella tensione elevata necessaria per aprire proporzionalmente le valvole. Quando l’alimentazione viene interrotta, il bender rimane in posizione finché un’altra tensione non chiude la valvola. Per questo motivo, queste valvole hanno generalmente tre fili di ingresso: Gnd, Open e Close. Poiché rimangono in posizione, le valvole richiedono solo un impulso a bassa corrente per l’attivazione, dopodiché l’energia viene conservata. Si tratta di una notevole riduzione dei consumi rispetto ai solenoidi.

 

Regolazione della pressione

Il concetto alla base di un regolatore di pressione consiste nel consentire l’ingresso nell’impianto di una determinata pressione e quindi nel chiudersi quando la pressione raggiunge un limite predefinito. Normalmente ciò avviene mediante una valvola a molla che fornisce il proprio feedback e si chiude nel momento in cui la pressione all’interno dell’impianto raggiunge il limite.

 

Quando una valvola piezoelettrica con un bender interno viene abbinata a un sensore di pressione, questo processo diventa completamente digitale. Il vantaggio principale è che la pressione può essere regolata dinamicamente per adattarsi a carichi diversi. Quando i regolatori sono controllati da un computer, possono essere posizionati in ogni punto di applicazione e regolati al variare della situazione. Ciò non sarebbe mai stato possibile con le regolazioni di valvole meccaniche a molla.

 

Controllo del flusso

Analogamente alla regolazione della pressione, il controllo del flusso utilizza tradizionalmente una valvola a spillo variabile che rimane in una posizione costante, consentendo all’aria di fluire con una resistenza maggiore rispetto a un tubo aperto. Queste valvole sono comunemente collegate alle porte di ingresso/uscita di un cilindro, regolate una volta e poi bloccate in posizione, per controllare la velocità di estensione e rientro del cilindro.

Il sistema piezoelettrico utilizza una valvola a bender singolo con un sensore di flusso per mantenere una portata esatta, con una risposta che può essere persino più dinamica di quella di una valvola a spillo fissa. Ancora una volta, il segnale digitale consente una variabilità basata sulla situazione: il sistema non è più rigido come in passato.

 

Figura 3. Le valvole con 1 o 2 bender vengono utilizzate per scopi diversi. Immagine (modificata) utilizzata per gentile concessione di Festo

 

Controllo direzionale

Se possiamo utilizzare una valvola per aprire e chiudere il passaggio dell’aria, allora abbiamo già gli elementi di base di una valvola direzionale. A differenza delle valvole a spola, che utilizzano un unico stelo mobile per instradare l’aria tra 4 o 5 porte, le valvole piezoelettriche sono progettate con soli due bender. Ciò consente l’ingresso e lo scarico dell’aria. Questa configurazione funziona bene per il controllo di un cilindro a semplice effetto; è analoga a una valvola a 3 porte/3 vie.

Tuttavia, se dobbiamo controllare un cilindro a doppio effetto, dobbiamo utilizzare due di queste valvole in tandem. Se desideriamo replicare realmente una singola valvola a 5 porte/4 vie con un unico punto di ingresso e scarico dell’aria, dobbiamo usare 4 valvole piezoelettriche in una configurazione che consenta all’aria di fluire in una sola direzione alla volta. Per gli appassionati di elettronica, il flusso di questa configurazione è molto simile a quello di un raddrizzatore CA realizzato con SCR!

 

Figura 4. Per controllare i cilindri a doppio effetto, è necessario utilizzare complessivamente quattro bender in combinazione. Immagine (modificata) utilizzata per gentile concessione di Festo

 

Il vantaggio aggiuntivo di queste valvole piezoelettriche in questa configurazione è che il controllo direzionale e il controllo del flusso (velocità di estensione/rientro) vengono gestiti contemporaneamente.

 

Sostituzione diretta? Forse non sempre

Come si suol dire, ogni cosa ha il suo momento e il suo posto.

Per apparecchiature sensibili, come quelle utilizzate in ambito medico e di laboratorio, è probabile che il controllo individuale della pressione, del flusso, dell’intercettazione e della direzione sia integrato in ogni circuito derivato. In questi casi, questa valvola piezoelettrica è un’ottima soluzione, perché riunisce tutti questi requisiti in un unico dispositivo.

D’altra parte, se l’obiettivo è semplicemente fornire un controllo di apertura e chiusura per grandi cilindri pneumatici in un ambiente industriale gravoso, le valvole piezoelettriche potrebbero non supportare la portata richiesta e il costo aggiuntivo delle valvole avanzate potrebbe non essere recuperato.

È entusiasmante conoscere meglio le nuove tecnologie e rimanere aggiornati su come potrebbe evolversi la tecnologia pneumatica in futuro!