HBM aumenta la precisión de sus transductores de fuerza

HBM ha aumentado la precisión de su transductor de fuerza U10M como resultado de la mejora de numerosos detalles. ¿Cuáles son las ventajas en la práctica? Al fin y al cabo, el U10M ya era un sensor preciso y robusto; ya se encontraba disponible en múltiples variantes con grados de protección hasta IP69, resiste la corrosión, es insensible a los momento de flexión y, gracias a su concepto modular, admite múltiples configuraciones. Lo que se ha optimizado ahora son  algunas de sus propiedades, como la linealidad, la histéresis y el error relativo de reversibilidad, que influyen en la precisión del transductor. El resultado es una menor incertidumbre de medición, pruebas con resultados más significativos, reducción de pérdidas de producción (rechazos) en las pruebas de fin de línea y menores costes de inversión para el usuario.

Análisis de errores en mediciones con transductores de fuerza

Podemos distinguir entre dos grupos de errores en las mediciones con transductores de fuerza: los errores que generan una señal de salida dada con independencia de la fuerza aplicada y los errores cuya magnitud es proporcional a la fuerza aplicada en el momento de la observación.

La influencia de la temperatura en el punto cero es un ejemplo de error independiente de la carga. Esta desviación tiene un valor específico que no guarda relación con la fuerza medida. Si consideramos esta fuente de error (TC0) en relación con la lectura de la señal de salida, la conclusión es que es un error especialmente acusado cuando solo se emplea un pequeño porcentaje de la fuerza nominal. Su valor absoluto siempre es el mismo, pero su influencia porcentual es mayor cuanto menor es la señal útil. Al igual que el TC0, el error de linealidad también es relativo con respecto al valor final.

En cambio, los errores relativos con respecto al valor instantáneo (errores en función de la lectura) se calculan con respecto a la señal real aplicada. Esto incluye, por ejemplo, la dependencia de la sensibilidad con respecto a la temperatura (TCS), la fluencia o incluso la tolerancia de una calibración.

Cálculo de errores

Actualmente, los errores se calculan según los criterios siguientes:

  • Cada error individual se calcula de  acuerdo con la información técnica del fabricante (TC0, influencia de la linealidad, histéresis, etc.). Hay que tener en cuenta si esa información se refiere al valor nominal o al valor medido: es decir, si guarda relación con el fondo de escala o con la lectura instantánea. También deben tenerse en cuenta los parámetros de proceso.
  • A continuación se aplica al error un factor estadístico, que depende del tipo de distribución. Como este paso solo sirve para reducir la incertidumbre de la medición calculada, podemos obviarlo a efectos de evaluación y no lo analizamos en mayor profundidad.
  • Una vez que se conocen todos los errores individuales, se elevan al cuadrado, se suman y se calcula la raíz cuadrada del total.
  • Se asigna al resultado un factor que determina la probabilidad de que se produzca la incertidumbre de medida calculada.

Como ya se ha dicho, las cantidades que afectan al valor de fondo de escala son especialmente importantes, pero tampoco hay que perder de vista la fuente de error individual más alta. En este procedimiento, la única manera de obtener mejoras tangibles consiste en optimizar las principales fuentes de error de forma específica. No sirve de nada mejorar una única característica. Un buen transductor de fuerza debe tener buenas propiedades.

¿Qué parámetros se han optimizado?

Como parte del proceso de mejora del sensor U10M, se han optimizado todas las características que redundan en mejoras tangibles en la práctica. A continuación encontrará una lista de esas características, con breves explicaciones.

Error relativo de repetibilidad 

El error relativo de repetibilidad describe la precisión de la reproducibilidad de un sensor; es decir, cuál es el grado de dispersión de los resultados de medición cuando un transductor de fuerza se somete a la misma carga de forma repetida. El error relativo de repetibilidad ofrece información a este respecto. Cuanto más bajo es este valor, mejor es la reproducción del sensor y mayor la fiabilidad con la que su calibración se traduce en la práctica.

Linealidad

La linealidad describe la desviación del valor medido con respecto a una curva característica uniforme ideal de un sensor. Cuanto más baja es la linealidad (desviación), mayor es la precisión con la que se pueden identificar fuerzas situadas entre los puntos de calibración.

Error relativo de reversibilidad (histéresis)

Si un sensor se carga hasta su valor nominal, aplicando primero una fuerza creciente y después retirándola, se aprecia una pequeña diferencia entre dos series de ensayos con la misma fuerza. Esta diferencia es el error relativo de reversibilidad (histéresis) del transductor de fuerza. Esta fuente de error tiene una gran influencia en el caso de las mediciones dinámicas con un amplio intervalo de medición de la fuerza.

Fluencia

El efecto elástico de los componentes de los transductores de fuerza (material del resorte y galga extensométrica) produce pequeños cambios en la señal de salida cuando se aplica una fuerza constante. En muchas aplicaciones de medición, esta influencia es irrelevante. Sin embargo, en las pruebas de monitorización a largo plazo, es muy importante que se fluencia sea baja.

Coeficiente de temperatura de la señal cero (TC0)

El TC0 es una propiedad técnica importante: en muchos casos, la más importante de todas. El valor indica la magnitud de la señal cero de un transductor de fuerza cuando cambia la temperatura. Esta información es muy importante, sobre todo cuando se miden fuerzas pequeñas, ya que la influencia de este factor siempre es significativa, con independencia de la fuerza que se mida. La influencia relativa es tanto mayor cuanto más pequeño es el valor medido.

¿Qué mejoras se han conseguido gracias a la optimización del transductor de fuerza U10M?

Todos los errores anteriormente descritos se han determinado en un banco de pruebas y son influencias que deben tenerse en cuenta en los cálculos de las incertidumbres de medición. En detalle:

Error de repetibilidad sin modificación de la posición de montaje (% de la lectura)

Fluencia (% de la lectura)

Linealidad (% del valor nominal)

 

Histéresis (% del valor nominal)


 

En el caso de muchas aplicaciones ha sido posible mejorar el TC0, que ya era de por sí muy bueno y tenía valores del orden de 150 ppm por cada 10 K. Para obtener valores mejorados, compruebe si se ha aplicado la opción de "calibración 200%". Eso significa que el transductor de fuerza U10M está calibrado para el doble de la fuerza nominal: por ejemplo, un transductor con una fuerza nominal de 50 kN se calibra a 100 kN. El valor de salida también se duplica. Esta opción, sumada a las mejoras que se han incorporado, ha permitido reducir el TC0 a 75 ppm por cada 10 K. Las características mecánicas del U10 hacen posible estos valores sin dificultades.
Con todo, hay que tener en cuenta dos aspectos:

  • El intervalo de entrada del amplificador debe ser adecuado. Se necesitan 5 mV/V para aprovechar la fuerza máxima de calibración (en el ejemplo anterior, 100 kN). Si va a medir fuerzas más pequeñas, puede reducir la escala de forma lineal.
  • El ancho de banda de oscilación permitido es menor: es decir, con cargas dinámicas, el valor pico-pico debe corresponder exactamente a la  fuerza de calibración.

Ventajas en las aplicaciones

Normalmente, cuando se miden fuerzas, se exige un grado de precisión adecuado. Ahora bien, la precisión de medida no solo depende del sensor utilizado, sino también de la fuerza que se desea medir: cuanto menor es la fuerza, mayor es la incertidumbre de medición. Y a la inversa, también es cierto lo siguiente: si se exige una determinada precisión, cuanto mayor es la precisión de un transductor de fuerza, mayor es el intervalo de medición en el que puede utilizarse.

Ventajas prácticas de la tecnología moderna:

  • Intervalo de medición más amplio. Con un sensor de alta capacidad se pueden medir fuerzas más pequeñas con la precisión prescrita (mediciones en el intervalo de carga parcial).
  • Los requisitos de la tecnología de medición aumentan al mismo ritmo que las exigencias de los ensayos. Si pensamos en la vida útil de los transductores de fuerza, es lógico utilizar dispositivos preparados para el futuro, con la máxima precisión disponible actualmente e insensibles a las condiciones ambientales.
  • Mayor capacidad excendentaria. Cuanto mayor sea el uso que pueda dar al intervalo inferior del sensor, más conservador podrá ser el diseño de su cadena de medición. Si existe riesgo de sobrecarga, simplemente elija un sensor un poco mayor. Normalmente, las propiedades de precisión no bastan por sí solas para cubrir las necesidades del usuario.
  • Reducción de pérdidas de producción. Para evaluar un proceso, es preciso conocer la precisión de medición del transductor. Pensemos en las comprobaciones en las que se decide si un componente es aceptable o no aceptable. Los componentes únicamente se pueden dar por buenos cuando quedan dentro del intervalo de consigna menos la tolerancia de medición (simbolizada en los diagramas por las líneas azules). Como se puede apreciar, el número de componentes aceptables aumenta cuanto mayor es la precisión de medida (gráfico de la derecha). Dicho de otra forma, el número de componentes que se rechazan también depende de la precisión de la cadena de medición de fuerza.
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