Sprievodca parametrami tenzometrických snímačov: Ako vybrať a vypočítať presnosť?

1. Merací rozsah a bezpečná hranica zaťaženia

Pri návrhu aplikácie je dôležitá nielen absolútna veľkosť sily, ale aj jej charakter.

• Nominálny rozsah (F_n): Sila na ktorú bol snímač konštruovaný a pri ktorej platia ďalej uvedené parametre. Udáva sa v jednotkách sily, prípadne váhy ak sa jedná o snímač určený na váženie.
• Použiteľný rozsah: je sila aplikovaná na snímač pri ktorej ešte nedôjde k jeho poškodeniu. Udáva sa v % nominálneho rozsahu a typická hodnota je 120 – 150 % F_n.

Naša rada z praxe: Pri návrhu rozsahu snímača sú dôležité aj iné charakteristiky zaťažujúcej sily, nielen jej absolútna veľkosť. V aplikáciách kde je snímač trvale zaťažený neodporúčame prekračovať 75 % F_n a pri dynamickom namáhaní (vibrácie, rázy) neodporúčame prekračovať hodnotu 50 % F_n

2. Citlivosť a napájacie napätie

• Nominálna citlivosť (C_n, C_nom) charakterizuje veľkosť výstupného signálu a udáva sa v jednotkách mV/V (milivolt na volt). Bežné hodnoty citlivosti sú od 0,5 do 3 mV/V

  Výpočet výstupného signálu:

  $$V_{\mathrm{out}}=C_n\ast V_{\mathrm{supply}}$$

  Napríklad pri citlivosti 2 mV/V a napájaní 10 V dostaneme na výstupe 20 mV.

• Tolerancia citlivosti je odchýlka skutočnej citlivosti od nominálnej hodnoty. Udáva sa v % nominálnej citlivosti a bežná hodnota je ± 2 % C_n.
• Tolerancia nuly je signál na výstupe snímača pri nulovej zaťažujúcej sile. Má rovnakú fyzikálnu jednotku ako citlivosť, t. j. mV/V, obvykle sa však udáva v % nominálneho rozsahu.

  Príklad: Ak je tolerancia nuly napr. ± 2 % C_n a nominálna citlivosť 2 mV/V, výstup nezaťaženého snímača je následovný:

  $$\pm 2\%\ast 2\mathrm{mV/V}=\pm \mathrm{0,04}\mathrm{mV/V}$$

  Pri napájacom napätí 10 V to predstavuje výstupné napätie:

  $$\pm \mathrm{0,04}mV/V\ast 10V=\pm \mathrm{0,4}\mathrm{mV/V}$$
• Nominálne napájacie napätie snímača je hodnota napätia pri ktorom boli merané jeho parametre. Napätie môže byť jednosmerné aj striedavé, štandardné hodnoty bývajú od 2,5 V do 15 V.
• Rozsah napájacieho napätia je bezpečná hodnota napájacieho napätia pri ktorej ešte nehrozí zhoršenie parametrov alebo poškodenie snímača. Kritická môže byť najmä horná hodnota. Pri jej prekročení môže dôjsť k samoohrevu snímača a v dôsledku toho k zväčšeniu teplotnej chyby.

3. Vstupný a výstupný odpor

• Vstupný odpor je odpor snímača v Ω meraný medzi napájacími svorkami.
• Výstupný odpor je odpor snímača v Ω meraný medzi signálovými svorkami.

4. Teplotný rozsah a teplotné chyby

• Nominálny teplotný rozsah je rozsah teplôt pri ktorom bol snímač testovaný. Niekedy sa nazýva aj kompenzovaný teplotný rozsah pretože v tomto rozsahu sa meria a kompenzuje teplotná chyba.
• Použiteľný teplotný rozsah býva väčší ako nominálny. V tomto rozsahu možno snímač bez problémov používať, nakoľko však v tomto rozsahu nebol testovaný, teplotná chyba môže byť väčšia ako je uvedená v katalógovom liste.
• Teplotný koeficient nuly (TK_o) udáva ako sa zmení výstupný signál nezaťaženého snímača pri zmene teploty. Udáva sa v % nominálnej citlivosti a bežná hodnota býva ± 0,1 % C_n / 10 °C.
• Teplotný koeficient citlivosti (TK_c) udáva ako sa zmení citlivosť snímača pri zmene teploty. Udáva sa v % nominálnej citlivosti a jeho hodnota býva približne ± 0,1 % C_n / 10 °C.

5. Chyba linearity a hysterézie

Tieto chyby definujú presnosť prevodovej charakteristiky voči ideálnemu stavu.

• Chyba linearity (nelinearita) je maximálna odchýlka prevododvej charakteristiky snímača pri rastúcom zaťažení od optimálnej priamky. Udáva sa v % nominálneho rozsahu. Definícia nehovorí o spôsobe stanovenia optimálnej priamky. Existuje viacero metód jej určenia, v praxi však vyhovuje výpočet metódou najmenších štvorcov. Výpočet sa robí aspoň z 5 bodov nameranej prevododvej charakteristiky. Nelinearita sa vypočíta podľa vzťahu:
  $$\mathrm{NL}=\frac{\max \left(\Delta \mathrm{XL}\right)}{X_{\mathrm{nom}}}\ast 100\%$$
• Chyba hysterézie (hysterézia) je maximálna odchýlka medzi charakteristikami snímača pri rastúcom a klesajúcom zaťažení, vztiahnutá k nominálnemu rozsahu. Vypočíta sa podľa vzťahu:
  $$H=\frac{\max \left(\Delta \mathrm{XH}\right)}{X_{\mathrm{nom}}}\ast 100\%$$

6. Použitie parametrov pre výpočet chýb

Pri výpočtoch predpokladajme, že máme snímač s parametrami:

• F_n = 1000 N
• C_n = 2 mV/V
• TK_o = 0,1 % C_n / 10°C
• TK_c = 0,15 % C_n / 10 °C
• chyba linearity NL = 0,2 % F_n
• chyba hysterézie H = 0,25 % F_n
• Teplota prostredia sa mení v rozsahu ΔT = 30 °C

Pri zmene teploty o ΔT = 30 °C sa výstupný signál zmení o hodnotu:

Podobne ako v predchádzajúcom prípade vypočítame najskôr zmenu výstupného signálu pri zmene teploty o ΔT = 30 °C:

Chyba linearity je 0,2 % z nominálneho rozsahu F_n:

Chyba hysterézie je 0,25 % z nominálneho rozsahu F_n:

Chyby považujeme za náhodné veličiny a vyššie uvedené výpočty (resp. odhady) chýb môžeme (pri určitom zjednodušení) považovať za neistoty typu B. Potom celkovú chybu vypočítame metódou geometrického spočítavania čiastkových neistôt, t. j. podľa vzorca: