Il principio della potenza idraulica per compiere un lavoro risale ai tempi degli antichi egizi, ma così come i sistemi si sono evoluti,si sono evoluti anche gli strumenti necessari per sviluppare e progettare questi circuiti sofisticati e, spesso, complessi.
Dai primi manometri inventati da Evangelista Torricelli nel 1600 ai calibri meccanici di Bourdon, fino ai trasduttori di pressione piezoresistivi dei giorni nostri, gli ingegneri di sviluppo hanno sempre ricercato i migliori strumenti per misurare la pressione e ottimizzarne il design. Nei tempi recenti,soprattutto gli ingegneri del settore automobilistico sono arrivati ad affidarsi a questi sensori di pressione di alta qualità e precisione durante i test e lo sviluppo dei veicoli.
Gli attuali trasduttori di pressione sono solitamente in grado di registrare delle deflazioni a piena scala, da circa 350 mbar a 700 bar a una temperatura prolungata che varia da
-40°C a 150°C. E ancora meglio, i sensori di qualità come quelli prodotti dalla STS sono capaci di un’isteresi e una ripetibilità tipicamente di circa 0.001%!
Immagine 1: trasmettitore di pressione di alta precisione ATM.1ST con accuratezza fino a 0.05% FS
I sensori di pressione di alta qualità sono usati nello sviluppo dei sistemi chiave dell’industria automobilistica.
Questo livello di ripetibilità è essenziale per la progettazione e lo sviluppo,tra gli altri, dei sistemi di raffreddamento e di alimentazione. Durante la fase di sviluppo, i progettisti si affidano a strumenti stabili di misura di pressione per registrare in maniera precisa le informazioni in modo che l’effetto anche dei più piccoli cambiamenti di progettazione possa essere documentato, senza preoccuparsi del fatto che il sensore sia incapace di fornire risultati ripetibili.
In una recente riprogettazione di un sistema di raffreddamento per motore, per trarre vantaggio dalle ridotte perdite parassite rese possibili attraverso l’elettrificazione, il team di ingegneri di un OEM di pregio, ha dovuto inizialmente affrontare un calo di pressione nella pompa di circa 150kPa. Prima che la riprogettazione di una nuova pompa elettrica fosse possibile, era necessario registrare accurate misurazioni della pressione così da permettere agli ingegneri di identificare il problema. Dopo aver studiato i risultati registrati da un insieme di sensori di pressione, è stato possibile modificare il design riducendo il calo di pressione a meno di 100kPa e tagliando le perdite parassite di 500W.
Anche se l’elettrificazione e i controlli elettronici svolgono un ruolo sempre più significativo nei sistemi dei veicoli, ci si affida ancora alla pressione idraulica per garantire operazioni di molti circuiti critici senza incorrere in problemi.
Ad esempio, durante lo sviluppo di una trasmissione automatica occorre misurare in tempo reale le pressioni nei punti di pressione e poi confrontarle con gli standard di progetto per confermare che i parametri di progettazione siano soddisfacenti. Allo stesso tempo, le variazioni nei tempi e nella qualità sono misurate e valutate soggettivamente per far sì che i requisiti dei clienti nella guida e nelle prestazioni siano altrettanto soddisfacenti.
Al di là del valore dei sensori di pressione di alta qualità durante la registrazione dei dati importanti in fase di test e di sviluppo, nell’industrializzazione di tecnologie future questi strumenti possono anche ridurre i costi di progettazione in maniera significativa.
I sensori di pressione assicurano che le tecnologie future saranno all’altezza delle aspettative.
Nel tentativo di migliorare le prestazioni dei motori fortemente ridotti, i produttori si avvantaggiano della potenza aggiuntiva offerta da un motore elettrico da 48V, sostituendo il turbocompressore con un supercaricatore elettrico.
Poiché si tratta di una tecnologia non ancora matura, gli ingegneri che vogliono ottimizzare i supercaricatori elettrici non hanno ancora a disposizione molti dati di ricerca e test. Anche se gli ingegneri elettrici e di fluidodinamica forniscono una piattaforma da cui partire, è di vitale importanza che le teorie siano convalidate in condizioni reali di test.
Per raggiungere questo obiettivo occorre registrare le pressioni nei collettori per ottimizzare le prestazioni del motore e, allo stesso tempo, massimizzare l’energia recuperata dai gas di scarico. Pertanto, sono necessari sensori di pressione estremamente accurati che forniscano letture precise su un ampio intervallo di temperature e di pressioni di sovralimentazione del collettore. Questi sensori devono essere resistenti alle vibrazioni e alla degradazione chimica.
E mentre i produttori di tutto il mondo continuano a portare avanti la ricerca nei veicoli elettrici, diversi gruppi stanno considerando altri modi per sfruttare l’idrogeno al fine di generare elettricità invece di affidarsi a celle di batterie.
Le celle a combustibile a idrogeno che impiegano membrane a scambio protonico, conosciute anche come celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica(PEMFC), sono state già impiegate in produzioni in serie limitate di veicoli come la Toyota Mirai.
Anche se le celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEM) operano sotto una pressione d’aria normale, le celle a combustibile ad alta potenza, di 10kW o più, di solito lavorano sotto pressioni elevate. Come con i motori a combustione interna convenzionali, l’obiettivo di aumentare la pressione nel combustibile è quello di aumentare la potenza specifica, estraendo più potenza da una cella della stessa dimensione.
Solitamente, la cella a combustibile PEM opera a pressioni che variano da quella prossima all’atmosfera fino a circa 3 bar e a temperature tra 50°C e 90°C. Mentre densità di potenze più alte sono possibili aumentando la pressione di funzionamento, l’efficienza netta del sistema può essere più bassa a causa della potenza richiesta per comprimere l’aria; ecco l’importanza di bilanciare la pressione ai requisiti della particolare cella a combustibile.
Come con le pressioni di sovralimentazione ICE, questo può essere ottenuto solamente eseguendo misurazioni accurate di pressione con sensori di pressione di alta qualità. Tali misurazioni vengono poi confrontate con i risultati del combustibile, al fine di minimizzare le perdite parassite e, allo stesso tempo, ottimizzando il guadagno del risultato elettrico.
Concludendo, indipendentemente dalla direzione che l’industria automobilista sceglierà per le tecnologie future, i sensori di pressione accurati rimarranno l’elemento chiave per lo sviluppo di veicoli efficienti e sicuri.