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Non-ripetibilità Archives - Switzerland (IT)
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Curva caratteristica, isteresi, errore di misurazione: concetti di tecnica di misura della pressione

Curva caratteristica, isteresi, errore di misurazione: concetti di tecnica di misura della pressione

Nella tecnica di misura della pressione la prima fonte di informazioni per gli utenti è spesso costituita dalle schede tecniche fornite dai produttori. Generalmente sono di notevole interesse i dati di accuratezza contenuti al loro interno. In questo contesto compaiono una serie di concetti che è fondamentale conoscere per poter valutare lo strumento di misura in questione.

Riguardo al tema dell’accuratezza possiamo fondamentalmente dire che si tratta di un termine non soggetto ad uno standard definito. Questo però non vale per quei termini legati ai dati di accuratezza, tra cui troviamo la curva caratteristica, l’isteresi, la non-linearità, la non-ripetibilità e l’errore di misura. Di seguito vogliamo spiegare brevemente questi concetti.

Curva caratteristica 

La curva caratteristica indica la dipendenza del segnale di uscita (il valore misurato) dal segnale di entrata (la pressione). Idealmente la curva caratteristica è una linea retta.

Non-linearità 

Con il termine non-linearità si descrive la massima deviazione (positiva o negativa) della curva caratteristica da una linea retta di riferimento. La retta di riferimento può essere determinata utilizzando tre metodi diversi: la regolazione del punto limite, la regolazione del valore minimo (BFSL dall’inglese “best fit straight line”) e la regolazione del punto iniziale. Ognuno di questi metodi porta a risultati diversi. In Europa il metodo più utilizzato è la regolazione del punto limite. Con questo metodo la linea retta di riferimento passa attraverso il punto iniziale e quello finale della curva di riferimento.

Errore di misura

L’errore di misura descrive la deviazione del valore indicato dal valore “vero”. Questo valore “vero” è un valore ideale che, in pratica, può essere determinato solo con uno strumento di misura estremamente accurato in condizioni di riferimento, ad esempio con un campione primario come avviene per la calibrazione. L’errore di misura è indicato come errore assoluto o errore relativo. L’errore assoluto ha la stessa unità della grandezza di misura. L’errore relativo, invece, si riferisce al valore vero e non ha un’unità di misura. 

Errore del punto zero e errore dell’intervallo 

Per produrre i sensori si verificano delle deviazioni dallo strumento di riferimento (campione). Le deviazioni di misura all’inizio e alla fine del campo di misura vengono definite errore del punto zero e errore dell’intervallo. Quest’ultimo si riferisce alla differenza tra entrambi i valori. L’errore del punto zero, invece, è la differenza tra il punto zero ideale della curva caratteristica nominale e il valore di uscita effettivo della curva caratteristica reale. 

L’errore del punto zero può essere facilmente letto dall’utente in assenza di pressione. Per eliminarlo bisogna impostarlo come offset nell’unità di valutazione. Eliminare l’errore dell’intervallo è un po’ più difficile, perché in questo caso la pressione a fondo scala deve essere trattata in modo esatto.

Isteresi

Il valore di misura visualizzato non dipende solo dalla variabile di ingresso (qui: la pressione), ma anche dai valori della variabile di ingresso prima misurati. 

Quindi, quando la curva caratteristica dello strumento di misura viene registrata a pressione in continua crescita e viene poi confrontata con la curva caratteristica a pressione in continua diminuzione, risulta evidente che i segnali di uscita, nonostante le pressioni siano identiche, non sono esattamente uguali. La deviazione massima tra entrambe le curve caratteristiche è detta isteresi e si esprime in percentuale del fondo scala (% FS).

Non-ripetibilità 

Eseguendo misurazioni una di seguito all’altra, anche in condizioni identiche, i trasmettitori elettronici di pressione sono soggetti a influenze stocastiche che fanno sì che il segnale di uscita per valori di pressione uguali non sia mai identico. Con il termine non-ripetibilità si indica quindi la deviazione massima tra tre misurazioni consecutive eseguite nella stessa direzione. Gli utenti possono riconoscere se uno strumento di misura della pressione è affidabile da una non-ripetibilità il più possibile bassa. Come l’isteresi, la non-ripetibilità non può essere compensata. 

Errore di temperatura 

Le variazioni di temperatura influenzano direttamente le proprietà dei sensori di pressione. Per esempio, la resistenza elettrica dei semiconduttori, come quelli utilizzati nei trasmettitori di pressione piezoresistivi, diminuisce all’aumentare della temperatura. Per questo i produttori ottimizzano i loro dispositivi per un comportamento termico equilibrato. Gli errori condizionati dalla temperatura vengono compensati o direttamente sul sensore o elettronicamente. Alcuni dispositivi dispongono anche di un sensore di temperatura per compensare direttamente l’errore legato alla temperatura che si verifica. Ciò nonostante, questi tipi di errori possono essere solo minimizzati e non eliminati del tutto. L’errore di temperatura residuo viene indicato da alcuni produttore come coefficiente di temperatura. 

Pressione di sovraccarico 

All’interno del campo di sovraccarico i limiti di errore stabiliti vengono oltrepassati, senza che, tuttavia, il trasmettitore di pressione subisca dei danni permanenti. 

Pressione di scoppio 

La pressione di scoppio indica la pressione alla quale il trasmettitore di pressione inizia a deformarsi, subendo danni meccanici. 

Stabilità a lungo termine 

Influenze esterne agiscono sullo strumento di misura. Pertanto, nel corso degli anni la curva caratteristica non rimane costante. La stabilità a lungo termine (o deriva a lungo termine) viene determinata dai produttori in condizioni di laboratorio e viene indicata nelle schede tecniche come percentuale del fondo scala per anno. 

Le reali condizioni di utilizzo del dispositivo possono differire in modo significativo rispetto alle condizioni di test. Inoltre, le procedure di prova possono variare molto da produttore a produttore, rendendo più difficile la comparabilità dei dati. In generale è consigliabile calibrare periodicamente il sensore di pressione e, se necessario, procedere con la messa a punto. 

Accuratezza: la deviazione della curva caratteristica 

Come accennato all’inizio, “l’accuratezza” non è una grandezza definita. Un altro concetto che viene talvolta utilizzato per l’accuratezza è la deviazione della curva caratteristica. La deviazione della curva caratteristica descrive l’errore totale massimo secondo IEC 700 ed è costituito dalla deviazione della linearità, dall’isteresi e anche dalla non-ripetibilità. Si tratta dunque della deviazione del valore finale del campo di misura dalla curva caratteristica ideale in percentuale.

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. 

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