Perché i trasduttori di forza particolarmente precisi consentono nuove aree di applicazione

L'impiego di trasduttori più accurati consente applicazioni completamente nuove nella tecnologia di misura della forza. Perché, con prodotti come la S9M di HBM, le catene di misura possono essere configurate per sovraccarichi molto alti senza influenzare l'uscita significativa dei risultati di misura. Ancora un altro vantaggio: Il trasduttore di forza può essere usato flessibilmente per numerosi e differenti compiti di misura. Tale fatto dimostra che i trasduttori di forza ad altissima precisione non sono solo dei capolavori tecnologici, ma essi offrono anche solidi vantaggi economici. Questo appare evidente se le possibili fonti di errore durante la misurazione della forza vengono esaminate più in dettaglio.

I vantaggi usando trasduttori di forza di alta accuratezza

I moderni trasduttori di forza come l'S9M della HBM raggiungono i più alti livelli di accuratezza. L'errore di linearità, l'errore di isteresi relativa e l'influenza della temperatura sono inferiori allo 0,02 % del valore di fondo scala. Tali valori giustificano l'uso di questi trasduttori perfino per la misurazione di forze molto piccole:

  • La catena di misura può essere configurata per sopportare alti sovraccarichi, ad esempio per prevenire danni al trasduttore di forza. Perfino se il trasduttore di forza S9M viene usato solo al 20 % della forza nominale, l'accuratezza raggiungibile è sufficientemente alta in quasi tutte le circostanze per ottenere dei risultati significativi. Si può contare su una classe di precisione dello 0,1 % rispetto all'ipotetico valore di fondo scala.
  • Basandosi sulle considerazioni soprastanti, si può estendere il campo di applicazione: È possibile padroneggiare svariati compiti di misura senza cambiare i sensori, riducendo così il tempo e la spesa. Infatti, si può coprire un ampio spettro di forze, da piccole percentuali all'intera forza nominale, con giusto un solo trasduttore.

Possibili fonti di errore

Perché questo caso? Al fine di capire il perché, è importante esaminare le possibili fonti di errore durante la misurazione della forza. Per i trasduttori ad estensimetri come l'S9M esistono due possibili gruppi di errori:

  • Errori indipendenti dal carico: Errori che generano uno specifico segnale di uscita indipendente dalla forza applicata
  • Errori dipendenti dal carico effettivo: Errori la cui entità è proporzionale alla forza applicata al momento della valutazione

L'influenza della temperatura sul punto zero è un esempio di errore indipendente dal carico: Questa deviazione di misura è uno specifico valore di uscita che è indipendente dalla forza misurata. Se tale errore è considerato in modo relativo al segnale di uscita, si nota che l'influenza della temperatura sul punto zero (TKZero) risulta particolarmente grande quando è piccola la percentuale di forza nominale utilizzata. Il valore assoluto è sempre lo stesso, ma in questa situazione aumenta a causa del piccolo segnale utile in percentuale della forza nominale.

Oltre al TKZero, anche l'errore di linearità è relativo al valore di fondo scala.

Gli errori che sono relativi al valore effettivo (errori dipendenti dal carico effettivo) sono calcolati in modo relativo al segnale del carico applicato. Ciò comprende, ad esempio, la dipendenza della sensibilità dalla temperatura (TCS), lo scorrimento o perfino la tolleranza della taratura eventualmente implementata.

Quando si valuta l'errore, i singoli errori vengono sommati geometricamente, cioè un significativo miglioramento dell'accuratezza di misura si può raggiungere solo se vengono migliorati i singoli errori più elevati. In numerosi casi, il TKZero e la linearità sono di cruciale importanza. Essendo tali valori relativi al fondo scala, cioè al segnale di uscita quando viene usata l'intera forza nominale, qualsiasi miglioramento di questi parametri è particolarmente efficace, consentendo l'uso del trasduttore di forza nella cosiddetta area di carico parziale, cioè l'utilizzazione del segnale di un campo parziale della forza nominale (di fondo scala).

Il C10 di HBM ha più opzioni di applicazione

HBM ha completamente riprogettato il C10, lavorando specificamente sugli errori di valore a scala reale. L'effetto della temperatura sui trasduttori di forza è sempre stato molto piccolo, ma sono stati ottenuti notevoli miglioramenti in termini di linearità ed isteresi. Anche la tolleranza allo scorrimento è stata ridotta ancora una volta.

Errore di linearità (in ppm)

Capacity

previous

new

Improvement

2,5 kN30020033%
5 kN30020033%
10 kN30020033%
25 kN40025038%
50 kN40035013%
100 kN40035013%
250 kN40035013%
500 kN40035013%
1 MN60050017%

 

Iteresi (in ppm)

Capacity

previous

new

Improvement

2,5 kN30020033%
5 kN30020033%
10 kN30020033%
25 kN40030025%
50 kN4004000%
100 kN50040020%
250 kN50040020%
500 kN50040020%
1 MN60050017%

Creep (30 min) in ppm

Capacity

previous

new

Improvement

2,5 kN40020050%
5 kN40020050%
10 kN40020050%
25 kN25020020%
50 kN25020020%
100 kN25020020%
250 kN25020020%
500 kN25020020%
1 MN25020020%

Quali sono gli effetti concreti di questi vantaggi?

Il diagramma mostra un tipico compito di misura:

  • Tempo di misura: 30 min
  • Variazione di temperatura: 10 °C
  • Sensore: C10/25KN
  • Il sensore è stato caricato fino alla forza nominale

L'S9M consente nuove applicazioni nella misurazione della forza

Il diagramma mostra l'incertezza di misura in funzione della forza di misura. La riprogettazione ha avuto un notevole impatto positivo - il campo di misura utilizzabile è stato significativamente aumentato con la stessa incertezza di misura, determinata arbitrariamente.

La figura sottostante argomenta ulteriormente a favore della misurazione precisa della forza: La forza da misurare ai fini del controllo qualità viene mostrata sull'asse X. Il numero di pezzi prodotti è indicato sull'asse Y. Si ottiene una distribuzione gaussiana o normale delle parti prodotte. Le linee verdi, che indicano le tolleranze ammissibili, si trovano nei diagrammi. L'incertezza di misura della catena di misurazione della forza può essere vista a sinistra ed a destra di questi limiti in rosso

Fig. 1 Monitoraggio di processi con sistemi di misurazione della forza aventi alta e bassa accuratezza.

La precisione di misura del trasduttore deve essere valutata per consentire la valutazione del processo. Per implementare una valutazione OK/NOK, i componenti possono essere valutati come OK solo quando si trovano all'interno del campo target meno la tolleranza di misura (visualizzata dalle linee tratteggiate blu nel diagramma).

Diventa evidente che il numero di componenti accettabili aumenta con l'aumentare della precisione di misura. In altre parole, il numero di pezzi da scartare dipende anche dalla precisione di misura della catena di misurazione della forza.

I moderni trasduttori di forza come il C10, S2M, S9M o U10M di HBM raggiungono elevati livelli di accuratezza, ben oltre lo standard di classe, soprattutto per quanto riguarda i fattori che influenzano l'incertezza di misura in funzione del valore di fondo scala. Ciò consente l'impiego di una catena di misura in un campo di carico parziale, aumentando così significativamente la tolleranza ai sovraccarichi. Ciò garantisce una migliore affidabilità. Soprattutto, è il minimo effetto della temperatura sul punto zero che rende possibile l'impiego dello stesso sensore per diversi campi di misura o l'aumento della percentuale di parti accettabili grazie all'elevata precisione ottenibile.

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