Miglioramento dell'accuratezza con i trasduttori di forza HBM

Grazie al miglioramento di molti dettagli, la HBM ha incrementato l'accuratezza del trasduttore di forza U10M. Quali sono i vantaggi che ne derivano in pratica? L'U10M, da sempre un sensore preciso, ora è anche del tipo robusto. Esso è disponibile in molte varianti fino al grado di protezione IP69, è a prova di ruggine, insensibile ai momenti flettenti e, grazie al suo sistema modulare, può anche essere configurato in numerosi modi. Sono state ottimizzate diverse sue proprietà quali la linearità, isteresi ed errore relativo di reversibilità, in grado d'influenzare  l'accuratezza del trasduttore. L'esito: minor incertezza di misura per risultati di prova più significativi, minori scarti nelle verifiche di fine linea e minori costi d'investimento per gli utenti.

Analisi dell'errore di misura con i trasduttori di forza

Allorché si effettuano misurazioni con i trasduttori di forza, si deve distinguere fra due gruppi di errore: quelli che generano un certo segnale di uscita indipendentemente dalla forza applicata al trasduttore e quelli la cui entità è proporzionale alla forza applicata al momento dell'osservazione.

L'influenza della temperatura sul punto zero è un esempio di errore indipendente dal carico: questa deviazione di misura causa l'uscita di uno specifico valore, indipendente dalla forza misurata. Se tale errore viene considerato in relazione al segnale di uscita, si nota che l'influenza del TC0 è sempre più pronunciata quando si applica una piccola percentuale della forza nominale. Il suo valore assoluto è sempre lo stesso ma, a causa del minimo segnale utile, aumenta la percentuale di errore relativa alla forza nominale. Oltre al TC0, anche l'errore di linearità viene riferito al valore finale.

Gli errori che sono relativi al valore effettivo (errori dipendenti dal valore attuale) vengono calcolati con riferimento al segnale della forza realmente applicata. Ciò comprende, ad esempio, la dipendenza dalla temperatura della sensibilità (TCS), dallo scorrimento o perfino dalla tolleranza della taratura eventualmente implementata.

Calcolo dell'errore

L'errore viene ora calcolato osservando i seguenti principi:

  • Ogni singolo errore è calcolato sulla base dei dati tecnici forniti dal costruttore (TC0, influenza della linearità, isteresi, ecc.). Si deve considerare se il parametro è riferito al valore di fondo scala od a quello misurato, cioè se è relativo al fondo scala od al valore corrente. Si devono considerare anche i parametri del processo. 
  • All'errore deve essere ora assegnato un fattore statistico risultante da questo tipo di  distribuzione. Poiché questo passo riduce solo l'incertezza di misura calcolata, si può trascurare quest'assegnazione poiché, in questo caso, non occorrono maggiori dettagli.
  • Ora eseguire il quadrato dei singoli errori, sommare i quadrati e poi calcolare la radice quadrata del totale.
  • Al risultato si deve assegnare un fattore che determini la probabilità con cui è stata ottenuta l'incertezza di misura calcolata.

Come sopra spiegato, sono particolarmente importanti le grandezze d'influenza relative al valore di fondo scala. Tuttavia, è anche importante tenere d'occhio il massimo errore individuale. Nella procedura anzi descritta, un miglioramento ha senso solo se le grandezze di maggior influenza vengono ottimizzate in modo mirato. Il miglioramento di giusto una singola grandezza non ha molto senso. Un buon trasduttore di forza dovrebbe avere tutte le sue proprietà egualmente buone. 

Quali parametri devono essere ottimizzati?

Per il miglioramento complessivo del trasduttore U10M, sono state ottimizzate tutte le sue caratteristiche che concorrono in pratica alla sua evoluzione. Sotto si trova un elenco con relative brevi spiegazioni. 

Errore relativo di ripetibilità 

L'errore relativo di ripetibilità descrive l'accuratezza della riproducibilità del sensore. Di quanto deviano i risultati di misura se il trasduttore di forza è soggetto ripetutamente allo stesso carico? L'errore relativo di ripetibilità fornisce questa informazione. Minore è questo valore, maggiore è la ripetibilità del sensore e più affidabile è il risultato della sua taratura che può essere trasferito nella pratica.

Deviazione della linearità

La linearità descrive la deviazione del valore misurato dalla curva caratteristica ideale intesa come uniforme del sensore. Minore è la deviazione della linearità, più precisamente si possono identificare le forze fra i punti di taratura. 

Errore relativo di reversibilità (isteresi)

Applicando al sensore un carico ascendente fino alla forza nominale e poi rimuovendo il carico, si noterà una piccola differenza fra due serie di prove con la medesima forza. Questa differenza è l'errore relativo di reversibilità (isteresi) del trasduttore di forza. Nel caso di misurazioni dinamiche con grande campo di misura della forza, l'errore relativo di reversibilità è il fattore di influenza più importante. 

Scorrimento

A causa del post-effetto elastico dei componenti del trasduttore di forza (materiale del corpo elastico e degli estensimetri), si notano minimi cambiamenti del segnale di uscita anche se l'applicazione della forza è costante. Per molti compiti di misura ciò è irrilevante ma, nel caso di monitoraggi a lungo termine, è molto importante un valore di scorrimento basso. 

Coefficiente termico del segnale zero (TC0)

Il TC0 è un'importante proprietà tecnica, in molti casi la più importante. Il suo valore indica l'entità del segnale di zero del trasduttore di forza quando cambia la temperatura. Quest'informazione assume particolare importanza specialmente quando si misurano piccole forze rispetto a quella nominale, poiché la sua influenza è sempre significativa - essendo indipendente dalla forza da misurare. L'influenza relativa aumenta al diminuire del valore misurato. 

Quali miglioramenti si sono ottenuti ottimizzando il trasduttore di forza U10M?

Tutti gli errori sopra descritti, verificati al banco prova, sono grandezze d'influenza attinenti ad ogni considerazione sulle incertezze di misura. In dettaglio:

Errore di ripetibilità per posizione di montaggio invariata (% del valore misurato)

Scorrimento (% del valore misurato)

Deviazione della linearità (% del valore di fondo scala)

 

Isteresi (% del valore di fondo scala)


 

In molte applicazioni, il già ottimo valore del TC0 di 150 ppm/10K si può ulteriormente migliorare con un piccolo trucco. Per farlo, verificare se può essere applicata l'opzione "200% calibration" (taratura al 200 %), cioè se il trasduttore di forza U10M possa essere tarato al doppio della sua forza nominale. Ad esempio un trasduttore con forza nominale di 50 kN verrebbe tarato a 100 kN. Ciò significa che si raddoppia anche il valore di uscita. Con i miglioramenti apportati e questa opzione, è stato possibile ridurre il TC0 a 75 ppm/10K. Le riserve meccaniche del trasduttore U10 lo consentono senza alcun problema.

Si devono tuttavia tenere a mente due fatti:

  • Il campo d'ingresso dell'amplificatore deve essere opportuno. Sono necessari 5 mV/V per utilizzare l'intera forza di taratura (nell'esempio precedente, 100 kN). Dovendo misurare forze più piccole, è possibile effettuare il conseguente declassamento in modo lineare.
  • La banda ammessa di oscillazione dinamica della forza è inferiore - cioè con carichi dinamici, il valore picco-picco può corrispondere esattamente solo alla forza di taratura.

I vantaggi nelle applicazioni

Solitamente, misurando le forze si presume un grado di accuratezza pari al requisito richiesto. L'accuratezza di misura della forza dipende non solo dal sensore impiegato, ma anche dalla forza da misurare, poiché per piccoli campi di misura della forza aumenta l'incertezza di misura. Al contrario, se è definita un'accuratezza, il campo di misura del trasduttore di forza cresce insieme alla sua accuratezza.

Vantaggi della moderna tecnologia nella pratica:

  • Campo di misura ampliato: con sensori di alta capacità, si possono determinare forze più piccole con l'accuratezza prescritta (misurazioni nei campi di carico parziali).
  • I requisiti della tecnologia di misura stanno crescendo, poiché crescono di pari passo con l'aumento dei requisiti delle prove. Prendendo in considerazione la vita operativa dei trasduttori di forza, con l'accuratezza attualmente disponibile e l'insensibilità alle condizioni ambientali, ha certamente senso fare affidamento sulla sicurezza futura.
  • Maggiore riserva di accuratezza. Maggiore è la possibilità di usare i campi di misura inferiori del sensore, tanto più conservativa può essere la progettazione della propria catena di misura. Nel caso di rischi da sovraccarico, basta scegliere il trasduttore con campo di misura immediatamente superiore. La riserva di accuratezza è generalmente ancora sufficiente per il raggiungimento dei propri obiettivi.
  • Riduzione degli scarti. Per essere in grado di valutare il processo, è necessario stimare l'accuratezza di misura del trasduttore. Per implementare la valutazione buono / cattivo, i componenti possono essere giudicati OK solo se rientrano nel campo impostato, da cui detrarre la tolleranza di misura (simbolizzata nel diagramma dalla linea blu con tratteggio interno). Come si nota, il numero di parti entro la tolleranza aumenta al crescere dell'accuratezza di misura (grafico a destra). In altre parole, il numero di parti da scartare dipende anche dall'accuratezza di misura della catena di rilevazione della forza.
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