Kalibracja czujnika siły

Wzorcowanie czujnika siły

Wzorcowanie czujnika siły
Norma wzorcowania przetworników siły ISO 376: Poprawa niezawodności i niepewności
Czy kiedykolwiek zadawałeś sobie pytanie, co dzieje się z czujnikiem, gdy zamawiasz kalibrację zgodnie z ISO 376 i do czego odnoszą się wartości na świadectwie wzorcowania? Jeśli tak, to w niniejszym artykule można znaleźć krótkie podsumowanie najbardziej akceptowanej normy w świecie (referencyjnego) pomiaru siły.

Co oznacza wzorcowanie?
Wzorcowanie ogólnie opisuje porównanie wyników pomiaru testowanego czujnika ze wzorcem kalibracyjnym. Oznacza to, że kalibracja zawsze skutkuje poznaniem sygnału wyjściowego przetwornika siły przy obciążeniu określoną siłą wraz z niepewnością przetwornika przy tym kroku obciążenia.
W przypadku przetworników siły istnieją dwie metody wzorcowania:
- obciążenie przetwornika siły odważnikami;
- obciążenie przetwornika siły za pomocą siłownika hydraulicznego i pomiar rzeczywistej siły za pomocą bardzo precyzyjnego przetwornika siły.

Dlaczego zamawianie usługi kalibracji ma sens?
Wzorcowanie zapewnia prawidłowe działanie czujnika tensometrycznego, a także odkrywa charakterystykę poszczególnych przetworników siły. Dzięki temu możesz ufać wynikom pomiarów mierzonym za pomocą skalibrowanego czujnika. Ponadto kalibracja pomaga w lepszym obliczeniu niepewności pomiaru, ponieważ charakterystyki na świadectwie wzorcowania dla konkretnego przetwornika są w większości przypadków znacznie dokładniejsze niż dane podane w karcie katalogowej dotyczącej całego typoszeregu danego modelu.
W świecie referencyjnych przetworników siły (normy przenoszenia siły) DIN EN ISO 376 jest powszechnie akceptowaną normą. Dotyczy to zarówno czujników nadrzędnych, jak i wielu zastosowań przemysłowych. Chociaż jest bardziej złożona niż wzorce robocze lub kalibracja DKD-R 3-3, jest jednak znacznie dokładniejsza i często wymagana.
Podane tutaj podsumowanie nie może zastąpić pełnej normy ISO 376, ale pomoże zrozumieć, co się stanie, jeśli wyślesz przetwornik siły do laboratorium kalibracyjnego HBK w celu przeprowadzenia wzorcowania wg ISO 376.

Co definiuje norma ISO 376?
- Procedura testowania (liczba obciążeń wstępnych, liczba kroków obciążenia, ... );
- Wartości charakterystyczne (moc znamionowa, histereza, powtarzalność, ...;) obliczone z surowych danych zarejestrowanych podczas procesu wzorcowania oraz sposób ich obliczania;
- Niepewność przetwornika siły w różnych okolicznościach (albo dla sił rosnących, albo dla sił rosnących i malejących) dla każdego kroku obciążenia (i sił pomiędzy);
- Klasyfikacja przetwornika siły dla każdego kroku obciążenia i zakresu siły

Procedura testowa
Wstępne obciążenie
Każda kalibracja ISO 376 rozpoczyna się od trzykrotnego wstępnego obciążenia czujnika. Za każdym razem obciążenie wstępne jest przykładane z maksymalną siłą wzorcowania.

Dwukrotny pomiar przy rosnących siłach w krokach obciążenia (R1 i R2)
W kolejnej fazie procedury testowej czujnik jest obciążany do maksymalnej siły kalibracyjnej z rosnącymi obciążeniami w ośmiu do dziesięciu krokach. Po odciążeniu ta sama procedura jest powtarzana w niezmienionej pozycji montażowej. Innymi słowy, czujnik siły pozostaje nieruchomy w maszynie kalibracyjnej i te same kroki obciążenia są powtarzane po raz drugi.

Pomiar w różnych pozycjach montażowych (R3 - R6)
Po wykonaniu tej czynności czujnik jest demontowany, obracany o 120° i ponownie instalowany w maszynie kalibracyjnej. Po wstępnym obciążeniu maksymalną siłą kalibracji, kroki obciążenia z poprzedniej fazy są ponownie przykładane do czujnika aż do maksymalnej siły kalibracji, a następnie zdejmowane w tych samych odstępach. Należy zauważyć, że krok obciążenia używany przy zmniejszaniu siły jest taki sam, jak podczas jej zwiększania. Różni się to od poprzednich dwóch faz procedury testowej, w których czujnik był odciążany od maksymalnej siły kalibracji do zera na raz.
Po zdemontowaniu czujnika po raz drugi, jest on ponownie obrócony o 120° i w pełni wstępnie obciążony do maksymalnej siły kalibracji. Następnie jest obciążany i odciążany po raz kolejny z tymi samymi krokami obciążenia, jak opisano powyżej dla poprzedniej części testu.

Pomiar pełzania
Po ponownym odciążeniu czujnika ostatnim krokiem procedury jest pomiar pełzania.
Illustration of a force transducer’s creep
Rysunek 1: Ilustracja pełzania przetwornika siły

Kompletna procedura - krok po kroku

image calibration procedure according to ISO 376

Rysunek 2: Procedura kalibracji zgodnie z ISO 376

Wszystkie certyfikaty kalibracji zawierają szczegółowe wyniki dla każdej serii pomiarowej (R1 - R6):
- R1 Pierwsza seria: siła rosnąca
- R2 Druga seria: siła rosnąca, brak rotacji
→ Obrót o 120° 
- R3 Trzecia seria: siła rosnąca
- R4 Trzecia seria: siła malejąca od najwyższego stopnia obciążenia R3
→ Obrót o 120° 
- R5 Czwarta seria: siła rosnąca
- R6 Czwarta seria: siła malejąca od najwyższego stopnia obciążenia R5
Pomiar pełzania

Wyniki: wartości charakterystyczne
Aby móc porównać różne czujniki siły i przypisać je do odpowiedniej klasy dokładności, należy określić i ocenić wartości charakterystyczne dla każdego czujnika i każdego kroku obciążenia. Poniższe specyfikacje są obliczane na podstawie opisanej powyżej procedury testowej:
  • Powtarzalność: różnica sygnału wyjściowego w niezmienionej pozycji montażowej;
  • Odtwarzalność: opisuje różnicę w sygnale wyjściowym przy tym samym stopniu obciążenia w różnych pozycjach montażowych;
  • Błąd interpolacji: błąd interpolacji pokazuje różnicę między rzeczywistą krzywą charakterystyki czujnika, a dopasowaną krzywą;
  • Histereza: opisuje różnicę w sygnale wyjściowym między cyklem zwiększania i zmniejszania obciążenia przy określonym kroku obciążenia;
  • Błąd pełzania: wskazuje zmianę sygnału wyjściowego przy stałym obciążeniu;
  • Błąd zera: wskazuje odchylenie punktu zerowego przed i po cyklu obciążenia/odciążenia.
Z wyjątkiem błędu zera, wszystkie charakterystyki są obliczane w odniesieniu do każdego pojedynczego kroku obciążenia, czyli w odniesieniu do wartości rzeczywistej. Faktem jest, że wynik kalibracji nigdy nie może być dokładniejszy niż zastosowana maszyna kalibracyjna. Dlatego niepewność maszyny kalibracyjnej jest ważnym punktem, który należy wziąć pod uwagę.
  • Rozszerzona niepewność przyłożonej siły: Ten błąd nie dotyczy przetwornika, ale zastosowanej maszyny kalibracyjnej
Niepewność pomiaru i klasyfikacja
Każdy przetwornik skalibrowany zgodnie z normą DIN EN ISO 376 otrzymuje świadectwo wzorcowania, które określa wartości charakterystyczne czujnika i dostarcza informacji o użytej maszynie kalibracyjnej, jej identyfikowalności i niepewności oraz warunkach środowiskowych podczas procedury wzorcowania. W certyfikacie można znaleźć niepewność dla skalibrowanego przetwornika siły dla każdego kroku obciążenia dla czterech różnych przypadków użycia:
  • Przypadek A: Tylko dla sił rosnących, gdy czujnik jest używany tylko dla sił równych krokowi obciążenia kalibracji
  • Przypadek C: Tylko dla sił rosnących, ale można go użyć dla dowolnej siły w kalibrowanym zakresie
  • Przypadek B: Dla sił rosnących i malejących czujnik jest używany tylko dla sił równych krokowi obciążenia kalibracji
  • Przypadek D: Dla sił rosnących i malejących, ale może być stosowany do dowolnej siły w kalibrowanym zakresie
Cztery przypadki uwzględniają różne wartości charakterystyczne przy obliczaniu niepewności pomiaru. Na przykład przypadek A nie uwzględnia błędu interpolacji i histerezy, ale przypadek D tak.
Niepewność jest podawana jako niepewność rozszerzona, co oznacza, że jest podana dla współczynnika rozszerzenia k=2. Oznacza to, że 95% wszystkich testów będzie w tym zakresie niepewności.

Dodatkowo można znaleźć klasyfikację dla każdego stopnia obciążenia i każdego przypadku, gdzie 00 oznacza najlepszą klasę, a 2 najgorszą. Ponieważ przetwornik siły otrzymuje klasyfikację dla każdego kroku obciążenia, klasy można określić w zakresach. Przykładowo czujnik spełnia wymagania klasy 00 od 40% do 100% siły nominalnej, ale tylko klasy 0,5 od 10% do 29,99999%.
HBK gwarantuje klasę dokładności czujników referencyjnych w przypadku zamówienia wraz z kalibracją. W poniższej tabeli można znaleźć zakresy pomiarowe i klasę dokładności zgodnie z normą ISO 376.


Rysunek: Przetworniki referencyjne HBK i ich zakresy pomiarowe
W HBK klasa dokładności zgodna z ISO 376 jest zawsze definiowana w zakresie pomiarowym dla wszystkich przypadków użycia.
W przypadku wyższych wymagań dotyczących dokładności czujnika, przetworniki referencyjne siły typu Top Transfer firmy HBK mają jeszcze lepsze parametry techniczne niż te wymagane przez klasę 00 ISO 376.