Come accertarsi che una determinata forza sia sempre la stessa ovunque

I sensori di forza sono parte dell’equipaggiamento della maggior parte dei laboratori che comprendono sistemi meccanici. I trasduttori di forza sono anche installati su macchine per la prova dei materiali e altre macchine di prova per registrare il segnale d’ingresso per il controllo e il segnale di forza che sarà poi usato per valutare i risultati.

I due principi dei trasduttori di forza

I sensori con estensimetro sono composti da un elemento elastico su cui sono installati gli estensimetri (SG). Applicando una forza, avviene una deformazione, che gli estensimetri convertono in un cambiamento di resistenza. È piuttosto comune l’uso degli estensimetri cablati per creare un circuito ponte, che poi converte il cambiamento di resistenza in una tensione elettrica misurabile. Occorre sempre applicare una tensione operativa (tensione di eccitazione) ai sensori con estensimetro.

La struttura dei sensori piezoelettrici si basa sui cristalli che rilasciano una carica quando sono influenzati da una forza. Esiste un rapporto lineare tra la carica e la forza. La carica è convertita in un segnale di tensione dall'elettronica responsabile.

I trasduttori di forza sono quasi sempre accompagnati da un documento che contiene le informazioni sulla sensibilità del sensore. Il sensore è stato esposto ad una forza nota dalla fabbrica e il segnale di uscita è stato misurato a questa forza effettiva. Il risultato di questo processo di ‘taratura’ viene registrato nel documento di riferimento. Il valore di uscita alla forza massima, o più valori misurati a forze diverse, sono specificati qui, in conformità con la qualità e il prezzo del sensore. La taratura è una delle fasi più importanti nella produzione di un sensore ed è determinante nello stabilire la capacità del trasduttore di forza. Ovviamente le misurazioni successive non possono mai essere più precise della taratura usata per stabilire i valori caratteristici del sensore.

I fabbricanti dei trasduttori di forza usano dispositivi di carico rilevanti per generare con precisione questa forza, creando così le premesse per queste misurazioni finalizzate alla taratura. HBM produce macchine di carico per forze tra 10 N e 5 MN

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I dispositivi di carico

I requisiti per le macchine di carico sono estremamente rigidi. Le macchine di HBM, per esempio, offrono precisioni fino a 0,005% sulla base del particolare valore della forza. Questi dati non si basano sulla forza massima che può essere generata dalla macchina, ma sulla forza applicata, indipendentemente dalla forza usata dalla macchina. In questo modo, con una forza di 1000 N,  è accettabile una deviazione di 0,05 N se la macchina offre una precisione dello 0,005%. I dispositivi di carico differiscono in base al principio di funzionamento.

Con i pesi sono generate forze minori

I pesi spesso sono usati per forze minori, in quanto la loro massa è nota con precisione e i sensori di forza da testare possono essere caricati con essi. Queste macchine sono denominate macchine con carico permanente. L’effetto di queste masse dipende dall'accelerazione gravitazionale in un determinato punto, ovviamente. A questo si aggiunge il galleggiamento sperimentato dalle masse nell'atmosfera. Questa forza di galleggiamento dipende dalla densità delle unità della massa e dalla pressione dell'aria. HBM ha una macchina con carico permanente con forza di prova massima di 240 kN; anche l’Istituto nazionale di metrologia tedesco (PTB) ha accesso ad una macchina con carico permanente con forza di prova di 2 MN.

La geometria di queste macchine di carico non deve mai cambiare sotto carico, altrimenti la forza applicata al sensore non sarà più omogenea. Ciò comporterebbe importanti errori di misurazione, anche con cambiamenti non immediatamente visibili. Le masse sono composte da materiali molto inerti chimicamente. Ciononostante, è fondamentale accertarsi che i cambiamenti non possano derivare da reazioni con l’ambiente (ad es. ossidazione). Con dei controlli regolari si può anche garantire che il funzionamento della macchina non sia inficiato da una manutenzione errata o da mancanza di pulizia (depositi di polvere sulle masse).

Misurazione della taratura sulla macchina da 25 kN presso HBM.

Per le forze maggiori viene usata una macchina idraulica

Altri dispositivi di carico generano la forza idraulicamente. Si tratta di una funzione particolarmente utile se la forza deve essere estremamente ampia, in quanto altrimenti sarebbe necessario avere masse gigantesche in loco. Un trasduttore di forza estremamente preciso viene collegato tra il dispositivo sottoposto a test e il sistema idraulico. Il trasduttore di forza di precisione è il riferimento usato per stabilire la forza esercitata sul macchinario sottoposto a prova. È quindi importante verificare regolarmente se il sensore di riferimento integrato continua a lavorare correttamente.

Il chilogrammo campione

Tutte le macchine di forza infine prendono riferimento dal chilogrammo campione, conservato presso il BIPM (Bureau International des Poids et Mesures-Ufficio internazionale dei pesi e delle misure) di Parigi. Esistono varie copie di questa unità di massa esistente. Tutte le masse sono quindi collegate ad un artefatto. È una sfida tecnica complessa trarre conclusioni su una catasta di massa con peso totale di 200 t da una massa di 1 kg.

Come si può garantire che queste macchine misurino correttamente garantendo che la taratura sia sempre affidabile?

È importante che i risultati di misura siano riproducibili: È l’unico modo per garantire che un risultato di misurazione stabilito in una determinata posizione possa essere usato anche in un'altra posizione (entro l’incertezza con cui è stato stabilito il risultato). Ciò significa che i sensori di forza devono essere tarati nello stesso modo in qualunque altra postazione. Una forza specifica deve sempre essere la stessa in un confronto internazionale. Da ciò deriva la necessità di controllare regolarmente i requisiti di tutte le macchine, ad es. a confronto con uno standard di misurazione considerato preciso.

Gli istituti nazionali di metrologia sono responsabili nell'accertarsi che una determinata forza sia la stessa ovunque e che costituisca un prerequisito, oltre a fornire una definizione di questa forza. In Germania, l’istituto responsabile è l’Istituto nazionale di metrologia tedesco (PTB). Queste strutture hanno le macchine di carico a cui fanno riferimento tutti gli altri

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Gli istituti s confrontano con altri istituti

Per garantire che un Newton sia sempre un Newton in tutto il mondo, gli istituti si mettono anche a confronto con altri istituti. È possibile togliere i sensori di riferimento e installarli negli istituti nazionali nelle macchine di carico precise, quindi rimuovere le cataste di massa in modo da poterli confrontare con gli standard di misurazione nazionali. Noi evitiamo di farlo, in quanto rimuovere e installare una tecnologia di misura altamente sensibile potrebbe comportare incertezza, con i rischi derivanti dal trasporto.

Ecco perché vengono usati i cosiddetti dispositivi di misurazione del trasferimento. Questi sensori di forza sono progettati in modo molto specifico per una ripetibilità definitiva della misura, anche se i sensori sono rimossi e reinseriti. È possibile ottenere una ripetibilità della misura inferiore allo 0,002%, di modo che i dispositivi di carico estremamente precisi possano anche essere collegati allo standard nazionale. Una macchina di carico ora è collegata allo standard nazionale confrontando le misurazioni tra la macchina di taratura da testare e lo standard di misurazione nazionale, in Germania, ad esempio, l’Istituto nazionale di metrologia tedesco (PTB). Sono quindi condotti confronti internazionali tra standard nazionali ai massimi livelli.

 

 

Dispositivi HBM per il trasferimento delle misure. A seconda del tipo, i sensori dimostrano la ripetibilità in diverse posizioni di montaggio tra lo 0,002% e lo 0,05%. Questi dispositivi per la misurazione del trasferimento possono essere usati per collegare forze tra 2.5 N e 5 MN ad uno standard di misura.

I sensori basati su tecnologia dell'estensimetro soddisfano gli standard più rigidi

I sensori di forza che soddisfano tali standard sono basati sulla tecnologia dell’estensimetro. I motivi sono due. I sensori basati su estensimetro impiegano un circuito a ponte di Wheatstone. Un’abile installazione degli estensimetri garantisce che diversi effetti parassiti, come temperatura, momento di flessione iniziato o forze laterali siano ampiamente compensati. I sensori basati su estensimetro sono anche assolutamente ideali per le misurazioni statiche comuni nella taratura, in quanto non hanno deriva e dimostrano stabilità a lungo termine.

Le caratteristiche di questi sensori sono valutate secondo lo standard internazionale ISO 376. In questo standard, la capacità del sensore di ripetere le misurazioni è un importante punto di prova. Si troveranno anche i limiti di scorrimento, isteresi e anche la deviazione dei sensori dalla loro curva caratteristica specificata.

Per un facile orientamento, i trasduttori di forza sono divisi in classi di precisione secondo ISO 376. La classe 00 ha i requisiti più rigidi. In questo modo si stabilisce che la ripetibilità del montaggio e dello smontaggio (“in diverse posizioni di montaggio”) può essere solo al massimo lo 0,05% del valore misurato. Pertanto neppure i sensori di classe 00 sono adeguati per collegare le macchine di carico precise ad uno standard di misurazione nazionale.

Dispositivi HBM per il trasferimento delle misure. A seconda del tipo, i sensori dimostrano la ripetibilità in diverse posizioni di montaggio tra lo 0,002% e lo 0,05%. Questi dispositivi per la misurazione del trasferimento possono essere usati per collegare forze tra 2.5 N e 5 MN ad uno standard di misura.

I sensori di massima categoria non sono fabbricati, ma scoperti

Ecco perché sono resi disponibili i cosiddetti sensori “top-class”. La precisione ottenuta da questi sensori non si raggiunge immediatamente con una produzione mirata. Piuttosto, sono i fabbricanti a controllare la loro produzione in corso per trovare esempi adatti. Questi esempi possono essere sottoposti a lunghi test, fino a garantire la loro speciale attitudine.

Ad una prima occhiata, i requisiti così rigidi possono sembrare eccessivi, ma occorre considerare che la precisione viene persa ad ogni misurazione di collegamento. Le macchine di un laboratorio di taratura accreditato sono collegate inizialmente allo standard di misurazione nazionale. Su queste macchine di carico, i sensori di trasferimento sono quindi usati per collegare nuovamente le macchine al livello superiore. Affinché la precisione delle tarature eseguite sul campo sia soddisfacente, occorre sincerarsi che tutte le connessioni abbiano luogo con la massima precisione possibile. La tendenza generale è di puntare a requisiti di precisione più rigidi per i sensori di forza nella produzione e nei test. Questa tendenza porterà in futuro ad un drastico aumento delle richieste di taratura dei trasduttori di forza

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Cos'altro c’è da sapere sulla taratura

Gergo tecnico

Quando si parla di taratura, per “collegare” si intende confrontare con standard di misurazione più elevati. In questo modo le macchine di taratura dei fabbricanti di tecnologia di misurazione sono collegate allo standard di misurazione nazionale dell’Istituto nazionale di metrologia  tedesco (PTB) confrontando le misure.

Standard e classe di precisione

ISO 376 è lo standard internazionale per la taratura dei trasduttori di forza di riferimento. Il sensore sottoposto a test è installato e rimosso dalla macchina di carico tre volte e ogni volta che è rimosso, il sensore viene girato nella macchina di 120 gradi. Si usano almeno otto forze in ascesa per il carico e forze in discesa in due posizioni di montaggio. I risultati per ogni forza sono confrontati di modo da poter calcolare la “ripetibilità in diverse posizioni di montaggio” secondo la formula data. Si definisce anche la ripetibilità in una posizione di montaggio, in quanto l'errore di isteresi (differenza tra la serie di test con forza in aumento e la forza dei test con forza discendente per una determinata forza), l’avanzamento lento (cambiamento del segnale di uscita nel tempo con un carico costante) e la deviazione dalla curva di adattamento (deviazione della curva caratteristica effettiva del sensore dalla curva caratteristica specificata dalla formula). Viene anche considerata la precisione della macchina di carico su cui è effettuata la taratura.

Tutti questi parametri sono calcolati in un certificato di taratura secondo ISO 376, di modo che l’incertezza del sensore sia visualizzata a forze diverse. Secondo lo standard, viene anche indicata la classe di precisione raggiunta in tutte le caratteristiche. Se un valore scende sotto il limite di una classe in una delle caratteristiche, il sensore è assegnato alla classe inferiore in generale

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