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 della 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. Ciò 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).

S9M
U10

L'S9M consente nuove applicazioni nella misurazione della forza

Il trasduttore di forza S9M della HBM offre un TKZero ed una non linearità di appena 200 ppm relative al valore di fondo scala. Se tale trasduttore di forza è usato al 20 % della forza nominale, l'errore causato dalla non linearità o dal TKZero è solo dello 0,1 % rispetto alla forza applicata. Ciò consente che:
Le catene di misura possano essere configurate per sopportare alti sovraccarichi, senza dover accettare il grande svantaggio della riduzione della significatività dei risultati di misura, purché vengano impiegati trasduttori di forza come l'S9M.

Nel caso delle forze nominali più alte, le cosiddette celle di carico a ciambella come la U10 sono una valida opzione, dato che esse mostrano un errore di isteresi relativa di 300 ppm rispetto alla forza nominale ed un TKzero di solo 150 ppm/10K, grazie alla disposizione estremamente favorevole degli ER.

La Figura 1 illustra un ulteriore argomento per la misurazione di precisione della forza: La forza da misurare per scopi di controllo qualità è mostrata sull'asse X. Il numero di pezzi prodotti è indicato sull'asse Y. La dispersione dei pezzi prodotti è distribuita secondo la legge della campana di Gauss.
Nel diagramma sono state aggiunte le linee verdi che indicano le tolleranze ammissibili e, in rosso, si possono notare le incertezze di misura della catena di misura della forza a sinistra ed a destra di questi limiti.


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

Al fine di valutare il processo è necessario stimare l'accuratezza di misura del trasduttore. Per implementare la valutazione buono / cattivo, si possono valutare i componenti come OK solo se essi risiedono all'interno del campo di setpoint meno la tolleranza di misura (simbolizzata nel diagramma dalle linee blu tratteggiate).

Si può facilmente riconoscere che il numero di pezzi in tolleranza cresce all'aumentare dell'accuratezza di misura. Espresso in modo diverso, il numero di pezzi da scartare è anche dipendente dall'accuratezza di misura della catena di misura della forza.

I moderni trasduttori di forza quali l'S9M o l'U10M della HBM raggiungono accuratezze elevate, ben oltre la classe standard, soprattutto per quanto concerne i fattori dipendenti dal valore di fondo scala che influenzano l'incertezza di misura. Inoltre, sussiste la possibilità di usare catene di misura per operare in un'area di carico parziale, pertanto col significativo incremento della tolleranza ai sovraccarichi. Ciò consente di ottenere il miglioramento dell'affidabilità. È soprattutto la minima influenza della temperatura sul punto zero che rende possibile l'impiego dello stesso sensore per svariati campi di misura o per incrementare la percentuale di pezzi buoni grazie all'elevata precisione.

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