Mais precisão com os sensores de força da HBM

Como resultado da melhoria de diversos detalhes, a HBM melhorou a precisão do sensor de força U10M. Mas quais são estas vantagens na prática? O U10M sempre foi um sensor preciso, além de robusto. Está disponível em várias versões com classe de proteção de até IP69; é a prova de ferrugens; insensível aos momentos de flexão e, graças a seu sistema modular, pode ser configurado de várias maneiras. Agora, propriedades como linearidade, histerese e erro reversível relativo, que influenciam a precisão do sensor, foram aprimoradas. O resultado: menos incertezas de medição para resultados de testes mais significativos, menos disperdício em testes no final da linha de produção e custos de investimento menores para o usuário.

Na análise de erros de medições com sensores de força

Ao adquirir medições com sensores de força, é feita uma distinção entre dois grupos de erros: erros que geram um certo sinal de saída, independente da força aplicada e erros cuja magnitude é proporcional à força aplicada no momento da observação.

A influência da temperatua no ponto zero é um exemplo de um erro independente de carga: este desvio de medição emite um valor específico que é independente da força medida. Se tal erro é considerado relevante ao sinal de saída, pode ser visto que a influência da TC0 é sempre evidente quando apenas uma pequena porcentagem de força nominal é usada. O valor absoluto é sempre o mesmo, mas aumenta devido ao pequeno sinal útil da porcentagem relativa nesta situação. Além do TC0, o erro de linearidade também é relativo ao valor final.

Erros que são relativos ao valor real (erro dependente do valor real) são calculados em relação ao sinal atual aplicado. Isso inclui, por exemplo, a dependência da temperatura de sensibilidade (TCS), a deformação e até mesmo a tolerância de uma calibração que pode ter sido implementada.

Erro de cálculo

Os erros são agora calculados de acordo com o seguinte princípio:

  • Cada erro individual é calculado com base na informação técnica do fabricante (TC0, influência da linearidade, histerese, etc). Se o parâmetro refere-se ao valor de escala total ou deve-se ter em mente o valor medido a ser considerado, como por exemplo, se ele se relaciona ao valor de escala total ou ao valor atual. Os parâmetros do processo também devem ser considerados;
  • O erro deve, agora, ser alocado a um fator estatístico que resulta do tipo de distribuição. Uma vez que este passo apenas reduz as incertezas de cálculo de medição, pode ser dispensado para avaliação: não há necessidade de ir além daqui;
  • Todos os erros individuais são agora elevados ao quadrado e somados, então a raiz quadrada do total é calculada;
  • Ao resultado é atribuído um fator que determina a probabilidade que a incerteza de medição calculada seja alcançada.

Como explicado acima, grandezas de influência em grande escala de valores relacionados são especialmente importantes. Entretanto, também é importante ficar de olho no maior erro individual. No procedimento descrito acima, uma melhoria só faz sentido se as maiores grandezas que influenciam são otimizadas de forma orientada. Melhorar apenas um único recurso não faz sentido. Um bom sensor de força deve ter propriedades igualmente boas.

Quais parâmetros foram otimizados?

Como parte das melhorias da U10M, todas as características que resultam em uma melhoria real na prática foram otimizadas. Abaixo você irá encontrar uma relação com uma breve explicação.

Erro de repetibilidade relativa

O erro de repetibilidade relativa descreve a precisão da reprodutibilidade de um sensor. Quão grande é a disseminação dos resultados de medição se um sensor de força é submetido a uma carga igual repetidamente? O erro de repetibilidade relativa fornece informações a este respeito. Quanto menor este valor, melhor reprodução do sensor e mais confiabilidade dos resultados de sua calibração podem ser trasferidos em prática.

Linearidade

A linearidade descreve o desvio do valor medido a partir de uma curva característica uniforme e ideal de um sensor. Quanto menor a linearidade, as forças entre os pontos de calibração podem ser indentificadas de uma forma mais precisa. 

Erro de reversibilidade relativo (histerese)

Se um sensor é carregado até sua força nominal, com uma força crescente e então, esta força é removida, você irá notar uma pequena diferença entre as duas séries de testes com a mesma força. Esta diferença é o erro de reversibilidade relativo (histerese) do sensor de força. No caso de medições dinâmicas com uma ampla faixa de medição de força, o erro de reversibilidade relativa é um grande fator de influência.

Deformação

Graças ao efeito colateral dos componentes de um sensor de força (mola e strain gage), existem pequenas alterações no sinal de saída com um esforço constante de força. Isso é irrelevante para muitas tarefas de medição. Entretanto, se tarefas de monitoramento de longo prazo são executadas, um pequeno valor de deformação é muito importante.

Coeficiente de temperatura do sinal zero (TC0)

TC0 é uma importante propriedade técnica e, em muitos casos, a mais importante de todas. O valor indica a magnitude do sinal zero de um sensor de força quando a temperatura muda. Esta informação é muito importante, em particular quando pequenas forças são medidas, porque esta influência é sempre significativa, não importando qual força está sendo medida. A influência relativa aumenta com a diminuição dos valores medidos.

Quais melhorias foram alcançadas ao otimizar o sensor de força U10M?

Todos os erros descritos acima ocorreram em um banco de teste e são grandezas de influência para cada consideração de incertezas de medição. Em detalhes:

Erro de repetibilidade em uma posição de montagem sem modificações (% do valor medido)

Deformação (% do valor medido)

Linearidade (% do valor em grande escala)

 

Histerese (% do valor em grande escala)


 

Na TC0, os já bons valores de 150ppm 10K poderiam ser melhorados com um ajuste em várias aplicações. Para fazer isso, verifique se a opção "calibração de 200%" pode ser aplicada. Isso significa que um sensor de força U10M é calibrado com o dobro da força nominal. Por exemplo: um sensor com uma força nominal de 50kN é calibrado com 100kN. Isso significa que você terá um valor de saída dobrado. Com as melhorias que foram agora incorporadas e esta opção, tem sido possível reduzir o TC0 para 75ppm 10K. As reservas técnicas do U10 permite isso sem qualquer problema.

Mas duas coisas devem ser levadas em conta:

  • O intervalo de entrada do amplificador deve ser adequado. São necessários 5mV/V para se fazer uso da força de calibração completa (em nosso exemplo, acima de 100kN). Se forças menores são medidas, é possível fazer um downscale em uma forma linear;
  • A largura de banda para oscilações é menor. Por exemplo: com cargas dinâmicas, o valor pico-a-pico só pode corresponder exatamente igual à força de calibração.

As vantagens na aplicação

Normalmente, quando forças são medidas, um grau de precisão exigido é assumido. A precisão da medição da força depende não apenas do sensor usado, mas também da força a ser medida: a incerteza da medição aumenta quanto menor for a força. Por outro lado, os seguintes resultados:  se uma precisão é definida, a faixa de medição do sensor de força aumenta com sua precisão.

As vantagens da tecnologia moderna na prática:

  • Ampla faixa de medição: com sensores de alta capacidade, você pode determinar pequenas forças com uma precisão requerida (medições na faixa de carga parcial);
  • Os requesitos da tecnologia de medição estão aumentando porque os requisitos de teste também estão. Se considerarmos a vida útil dos sensores de força, certamente faz sentido prevenir a obsolescência: com a precisão disponível atualmente e a insensibilidade às condições ambientais;
  • Incorporar mais capacidade de reposição: quanto mais você usa a faixa inferior do sensor, mais conservadora você pode projetar sua cadeia de medição. Se há um risco de sobrecarga, apenas escolha um sensor ligeiramente maior. As capacidades de precisão são geralmente insuficientes para atingir seus objetivos;
  • Reduzir seu disperdício: a precisão de medição do sensor precisa ser avaliada para permitir que o processo seja avaliado. Para implementar uma avaliação de "bom"/"ruim", os componentes só podem ser considerados OK quando se encontram dentro do intervalo de valor nominal menos a tolerância de medição (linhas simbolizada nos diagramas pelo azul tracejado). Como pode ser visto, o número de peças toleráveis aumenta quando a precisão da medição também aumenta (gráfico da direita). Expressado de uma maneira diferente, o número de peças a serem rejeitadas também depende da precisão da medição da cadeia de medição de força.
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