Deprecated: Hook wp_smush_should_skip_parse is deprecated since version 3.16.1! Use wp_smush_should_skip_lazy_load instead. in /home/xepoxenu/www/new.stssensors.com/wp-includes/functions.php on line 6078
Errore totale Archives - Switzerland (IT)
Deprecated: Hook wp_smush_should_skip_parse is deprecated since version 3.16.1! Use wp_smush_should_skip_lazy_load instead. in /home/xepoxenu/www/new.stssensors.com/wp-includes/functions.php on line 6078
La stabilità a lungo termine dei sensori di pressione

La stabilità a lungo termine dei sensori di pressione

A lungo andare, fattori quali la temperatura e i carichi meccanici possono ripercuotersi negativamente sulla stabilità a lungo termine dei sensori di pressione. Tuttavia, gli effetti possono essere minimizzati già da parte del produttore.

Nelle schede tecniche dei sensori di pressione i produttori segnalano anche la stabilità a lungo termine. Si tratta di un valore ottenuto in condizioni di laboratorio che indica la massima variazione tra il punto zero e l’intervallo di uscita. Questo valore è espresso in percentuale e si riferisce solitamente all’errore totale. Segnala che l’errore totale di un sensore di pressione dopo un anno può peggiorare, ad esempio, dello 0,1 percento del fondoscala. 

Normalmente, i trasmettitori di pressione hanno bisogno di un po’ di tempo per stabilizzarsi. Questo significa che soprattutto durante il primo anno si verifica il maggiore “movimento” per quanto riguarda la stabilità a lungo termine. Come già accennato, stiamo parlando principalmente di spostamenti del punto zero e cambiamenti della sensibilità (segnale di uscita). Gli utenti notano per lo più gli spostamenti del punto zero, poiché risultano facili da rilevare. 

Come ottimizzare la stabilità a lungo termine? 

Per ottenere una stabilità a lungo termine il più possibile ottimale, per cui durante la vita del prodotto si verificano soltanto spostamenti minimi, è necessario che l’elemento principale sia quello giusto: il chip del sensore. Un sensore di pressione prodotto a regola d’arte è la migliore garanzia per avere uno strumento di misura che funzioni a lungo in modo ottimale. Nel caso dei sensori di pressione piezoresistivi, l’elemento principale è il chip in silicio sul quale viene diffuso il ponte di Wheatstone. Le cose vanno fatte correttamente fin dall’inizio della produzione. Una scelta scrupolosa del chip in silicio sta alla base della produzione di sensori di pressione con ottima stabilità a lungo termine.

In secondo luogo, la costruzione del sensore è decisiva. Il chip in silicio viene incollato all’interno di un alloggiamento. A causa degli effetti della temperatura e di altri influssi il punto incollato può cambiare e, di conseguenza, cambia anche il carico meccanico del chip in silicio. Naturalmente, la stabilità a lungo termine ne risente. 

La pratica ha mostrato che un nuovo sensore “lavora all’assestamento” per un certo periodo – soprattutto nel primo anno.  Più il sensore diventa vecchio e più diventa stabile. Per ridurre il più possibile al minimo gli sviluppi indesiderati e riuscire a valutare meglio lo stato generale, il sensore viene invecchiato e sottoposto ad alcuni test prima di lasciare la produzione. 

Il procedimento varia da produttore a produttore. Per stabilizzare i nuovi sensori di pressione, alla STS questi vengono trattati termicamente per più di una settimana. Il “movimento” insito nel sensore soprattutto nel corso del primo anno viene, dunque, già in gran parte anticipato. Il trattamento termico equivale, infatti, a un invecchiamento artificiale.

Immagine 1: trattamento termico delle celle di misura della pressione piezoresistive 

Dopo questa stabilizzazione, il sensore viene sottoposto a ulteriori test al fine di essere caratterizzato in modo ottimale. Si testa il comportamento del sensore a diverse temperature e si esegue anche un trattamento sotto pressione. I sensori devono mostrare come si comportano mentre sono esposti per un lungo periodo di tempo alla sovrapressione prevista. Le misurazioni rilevate servono per la caratterizzazione di ogni singolo sensore. Tutto questo è necessario per poter esprimere dichiarazioni affidabili riguardo al comportamento dello strumento di misura a diverse temperature ambientali (compensazione della temperatura). 

La stabilità a lungo termine, insomma, dipende innanzitutto dalla qualità della produzione. Naturalmente, eseguire calibrazioni e messe a punto ad intervalli regolari può aiutare a correggere eventuali variazioni. Nella maggior parte delle applicazioni, però, non è necessario: i sensori prodotti correttamente funzionano in modo affidabile per un periodo di tempo molto esteso. 

Quanto è importante la stabilità a lungo termine? 

Quanto sia importante la stabilità a lungo termine dipende dall’applicazione. Tuttavia, è sicuramente di maggiore importanza nel campo della bassa pressione. Da una parte, questo è dovuto al fatto che gli influssi esterni influenzano maggiormente il segnale. Piccoli cambiamenti del carico meccanico del chip hanno in questi casi un influsso maggiore sulla precisione dei risultati rilevati. Dall’altra parte, i sensori di pressione prodotti per applicazioni in bassa pressione si basano su un chip di silicio, la cui membrana ha spesso uno spessore inferiore a 10 µm. Per questo motivo, quando si incolla il chip nell’alloggiamento è richiesta un’attenzione maggiore.

Immagine 2: dettaglio del chip in silicio incollato e fissato 

Pur con tutta l’attenzione, una stabilità a lungo termine e, quindi, anche l’accuratezza non sono possibili per sempre. Fattori come l’isteresi di pressione e l’isteresi di temperatura non possono essere completamente esclusi. Questi rientrano nelle cosiddette caratteristiche di un sensore. Gli utilizzatori possono regolarsi di conseguenza. Per applicazioni ad alta precisione, ad esempio, l’isteresi di pressione e l’isteresi di temperatura non devono superare lo 0,02 % del fondo scala. 

Parlando della stabilità a lungo termine bisogna ovviamente dire anche che la fisica mostra i suoi limiti. Nelle applicazioni particolarmente difficili non è possibile ottenere una stabilità elevata. È il caso soprattutto delle applicazioni con temperature alte e fortemente oscillanti. Anche le temperature costanti, ma superiori a 150 °C prima o poi rovinano il sensore: lo strato metallico che fa da contatto per i resistori del ponte di Wheatstone si diffonde nel silicio e scompare letteralmente. 

Gli utilizzatori che eseguono misurazioni della pressione in tali condizioni estreme o che hanno esigenze di massima precisione dovrebbero, dunque, prima discutere a fondo con i produttori delle possibili opzioni disponibili. 

Errore totale o accuratezza?

Errore totale o accuratezza?

Quando si acquista un sensore di pressione, spesso gli utenti si concentrano principalmente sull’accuratezza. A questo aspetto sono collegati numerosi concetti rilevanti  che abbiamo già spiegato in un’altra occasione. L’accuratezza, però, è solo uno degli aspetti di un altro concetto presente nelle schede tecniche dei trasmettitori di pressione: l’errore totale. Di seguito chiariamo come va inteso questo dato delle schede tecniche e quale ruolo dovrebbe svolgere nella scelta del giusto sensore di pressione.

Innanzitutto, l’accuratezza non fornisce informazioni circa l’errore totale. Quest’ultimo dipende da diversi fattori, ad esempio in quali condizioni si utilizza il sensore di pressione. Nell’immagine 1 si possono vedere i tre aspetti di cui si compone l’errore totale: l’errore regolabile, l’accuratezza e gli effetti termici.

Immagine 1: composizione dell’errore totale

Errore regolabile 

Come si vede dall’immagine, l’aspetto parziale dell’errore regolabile è composto dall’errore del punto zero e dall’errore dell’intervallo. La denominazione “errore regolabile” è dovuta al fatto che questi due errori – l’errore del punto zero e l’errore dell’intervallo – sono facili da riconoscere e regolare. Si tratta dunque di errori con cui gli utenti non devono imparare a convivere. Nei sensori di pressione della STS questi due errori vengono corretti già in fabbrica. 

La stabilità a lungo termine, detta anche deriva o errore a lungo termine, è la causa dell’errore del punto zero e dell’errore dell’intervallo durante l’impiego. Vale a dire che con un lungo utilizzo entrambi questi errori regolabili possono verificarsi nuovamente e intensificarsi. Attraverso una calibrazione e, a seguito, una messa a punto, la deriva a lungo termine può essere di nuovo corretta. Qui è possibile trovare maggiori informazioni sulla calibrazione e sulla messa a punto.

Accuratezza 

L’aspetto parziale dell’accuratezza compare nelle schede tecniche anche sotto la denominazione di deviazione della curva caratteristica. L’imprecisione nella terminologia è dovuta anche al fatto che “l’accuratezza” non è definita da nessuno standard stabilito dalla legge. 

Questo concetto comprende gli errori di non-linearità, l’isteresi (pressione) e non la non-ripetibilità (vedi immagine 2). La non-ripetibilità descrive le variazioni osservate applicando più volte una medesima pressione. L’isteresi si riferisce al fatto che i segnali di uscita di una stessa identica pressione possono essere diversi, se la pressione viene applicata “dall’alto” o “dal basso”. Nei trasmettitori di pressione piezoresistivi questi due fattori sono molto ridotti. 

Dunque è la non-linearità ad influenzare maggiormente l’accuratezza e, di conseguenza, l’errore totale. Con questo termine si intende la massima deviazione positiva e negativa della curva caratteristica da una linea retta di riferimento a pressione crescente e decrescente. Qui è possibile trovare maggiori informazioni su questi concetti.

Immagine 2: Si definisce non-linearità la differenza maggiore all’interno della curva caratteristica applicando più volte la pressione da misurare.

Effetti termici 

Le variazioni di temperatura influenzano i valori misurati da un sensore di pressione. Esiste anche un’isteresi di temperatura. L’isteresi, in generale, descrive la variazione di un sistema, quando si raggiunge lo stesso punto da direzioni diverse. Nel caso dell’isteresi di temperatura, l’isteresi descrive la differenza (errore) del segnale di uscita ad una determinata temperatura, quando questa temperatura definita viene misurata partendo da una temperatura più bassa o da una temperatura più elevata. La STS considera come tipica una temperatura di 25 °C. 

Immagine 3: Comportamento tipico degli effetti termici nei trasmettitori di pressione.

Errore totale o accuratezza? 

Naturalmente, la domanda principale che nasce da tutti questi aspetti è a cosa devono prestare maggiormente attenzione gli utenti nella scelta del sensore. La risposta è diversa da caso a caso. L’errore regolabile, poiché viene già corretto in fabbrica,svolge solo un ruolo secondario. Per questo aspetto basta solo tener presente che di norma dopo un anno di utilizzo il sensore deve essere ricalibrato e regolato. 

Quando si acquista un nuovo sensore, sia l’accuratezza che gli effetti termici sono due aspetti determinanti. A tal proposito la domanda principale da farsi è: “eseguo delle misurazioni della pressione in condizioni controllate?” Se ciò avviene, questo significa che quando l’utente durante la calibrazione esegue le sue misurazioni in prossimità della temperatura di riferimento (tip. 25 °C), gli effetti termici sono trascurabili. Il valore dell’errore totale è importante quando la misurazione della pressione viene eseguita su un ampio intervallo di temperatura.

In conclusione esaminiamo la scheda tecnica del trasmettitore di pressione piezoresistivo ATM.1st della STS (immagine 4):  

Immagine 4: Parte di una scheda tecnica (ATM.1st)

Nelle specifiche tecniche dell’ATM.1st sono indicati sia l’accuratezza che l’errore totale. I dati di accuratezza sono suddivisi per i rispettivi campi di pressione. I valori quantificati derivano dalla non-linearità, dall’isteresi e dalla non-ripetibilità a temperatura ambiente. Gli utenti che desiderano eseguire misurazioni in condizioni di temperatura controllate (temperatura ambiente) possono, quindi, orientarsi sulla base dei valori di accuratezza forniti. 

L’errore totale indicato nella scheda tecnica, invece, comprende gli effetti termici. In aggiunta, l’errore totale viene completato dalle indicazioni “tip.” e “max.”. La prima indicazione descrive l’errore totale tipico. Non tutti i sensori di pressione sono del tutto identici e la loro accuratezza può variare leggermente. La precisione dei sensori corrisponde alla distribuzione normale di Gauss. Ovvero:il 90% dei valori misurati nell’intero campo di pressione e temperatura di un sensore corrisponde al valore espresso dall’errore totale tipico. I restanti valori misurati si posizionano nell’errore totale massimo. 

Scarica ora poster gratuito sul tema!

Iscriviti alla nostraNewsletter

Iscriviti alla nostra mailing List per ricevere le ultime notizie e gli aggiornamenti dal nostro team.

Ti sei iscritto con successo!