Analisi delle ragioni delle significative differenze nei dati di pesatura dopo la sostituzione e la riparazione di sensori analogici con lo stesso intervallo di misura

Analisi delle ragioni delle significative differenze nei dati di pesatura dopo la sostituzione e la riparazione di sensori analogici con lo stesso campo di misura

Nel funzionamento e nella manutenzione quotidiana dei sistemi di pesatura industriali, questo tipo di problema si incontra frequentemente: dopo aver sostituito o riparato una cella di carico analogica, anche se il suo campo nominale è lo stesso del sensore originale, il risultato della pesatura devia ancora in modo significativo. In alcuni casi, l'errore supera persino l'intervallo consentito normale, compromettendo seriamente l'accuratezza della misurazione della produzione.

Questo fenomeno sembra semplice, ma in realtà è strettamente correlato a sottili differenze nel processo di fabbricazione, nel controllo dei parametri di prestazione e nei requisiti degli standard nazionali delle celle di carico analogiche. Questo articolo, in combinazione con lo standard nazionale cinese GB/T 7551-2019 Celle di carico, parte dai requisiti di fabbricazione dei parametri di prestazione fondamentali delle celle di carico e analizza le ragioni più profonde della deviazione dei dati anche quando i campi sono identici.

1. Requisiti di fabbricazione per i parametri di prestazione fondamentali delle celle di carico analogiche negli standard nazionali

Lo standard GB/T 7551-2019 Celle di carico, in quanto standard fondamentale per la produzione e il collaudo delle celle di carico analogiche in Cina, specifica chiaramente i requisiti di accuratezza di fabbricazione per molteplici parametri di prestazione chiave delle celle di carico con lo stesso campo. Questi parametri determinano direttamente l'accuratezza della pesatura della cella di carico e sono anche la fonte principale delle successive differenze nei dati.

Tra questi, i parametri più strettamente correlati alla deviazione dei dati includono principalmente le seguenti quattro categorie:

(1) Sensibilità e coefficiente di temperatura della sensibilità

La sensibilità è uno degli indicatori fondamentali delle celle di carico analogiche. Si riferisce alla variazione del segnale di uscita del sensore sotto il carico nominale (ovvero il limite superiore della scala completa).

Secondo lo standard, la sensibilità tipica delle celle di carico analogiche è generalmente
2,0 mV/V ± 0,02 mV/V (o altri valori nominali fissi con piccole deviazioni consentite).

Allo stesso tempo, lo standard specifica anche il limite del coefficiente di temperatura della sensibilità:
Entro l'intervallo di temperatura di esercizio da −10°C a +40°C, la variazione della sensibilità con la temperatura deve essere ≤ 0,002% FS/°C (FS = scala completa).

Ciò significa che anche se due celle di carico hanno lo stesso campo nominale, piccole differenze nei valori di sensibilità (ad esempio, uno è 2,01 mV/V e l'altro è 1,99 mV/V) o la non conformità al coefficiente di temperatura della sensibilità porteranno a diversi segnali di uscita analogici (tensione/corrente) sotto lo stesso carico, che alla fine si tradurranno in deviazioni nei dati di pesatura.

(2) Errore di non linearità

L'errore di non linearità si riferisce alla deviazione massima tra la relazione effettiva del segnale di uscita del sensore e il carico e la relazione lineare ideale.

Lo standard nazionale richiede:

• Per le celle di carico analogiche, l'errore di non linearità dovrebbe essere ≤ 0,02% FS (Classe C), o

• ≤ 0,01% FS (Classe B).

Per le celle di carico con lo stesso campo, possono sorgere differenze di non linearità a causa di variazioni nei processi di fabbricazione, come:

• Precisione di lavorazione dell'elemento elastico

• Uniformità della planarità e dello spessore dell'area dell'estensimetro

• Deviazioni nella posizione di incollaggio dell'estensimetro

Per esempio:
La cella di carico originale ha un errore di non linearità di 0,01% FS, mentre quella sostituita ha 0,018% FS.
Con un carico vicino alla piena capacità (ad esempio, una cella di carico da 100 kg caricata con 90 kg), la differenza del segnale di uscita può raggiungere:
[(0,018% − 0,01%) × 100 kg = 0,008 kg]

Se il campo è più ampio (ad esempio, 1000 kg), la deviazione si espanderà ulteriormente a:
[(0,018% − 0,01%) × 1000 kg = 0,08 kg]

Questo è già sufficiente per influire in modo significativo sull'accuratezza della pesatura.

(3) Errore di isteresi

L'errore di isteresi si riferisce alla differenza massima nel segnale di uscita di una cella di carico sotto lo stesso carico durante i processi di carico e scarico.

Secondo lo standard nazionale, l'errore di isteresi dovrebbe essere:
≤ 0,02% FS (Classe C) o
≤ 0,01% FS (Classe B).

Questo errore deriva principalmente dalle proprietà dei materiali dell'elemento elastico della cella di carico (come le caratteristiche di isteresi meccanica) e dalle incongruenze nelle proprietà di incollaggio dell'estensimetro. Se la struttura elastica utilizza diversi lotti di materiali in lega o le caratteristiche di polimerizzazione dell'adesivo di incollaggio per gli estensimetri sono incoerenti, gli errori di isteresi differiranno da quelli del sensore originale.

Ad esempio, in applicazioni di carico-scarico frequenti (come la pesatura dinamica su trasportatore):

• La cella di carico originale emette 1,000 mV a 50 kg di carico e 0,999 mV a 50 kg di scarico, con conseguente errore di isteresi di 0,001 mV.

• La cella di carico di ricambio emette 1,000 mV a 50 kg di carico e 0,997 mV a 50 kg di scarico, con conseguente errore di isteresi di 0,003 mV.

Durante il funzionamento a lungo termine, ciò porterà a deviazioni di ripetibilità nei dati di pesatura.

(4) Deriva dello zero e coefficiente di temperatura dello zero

La deriva dello zero si riferisce alla variazione del segnale di uscita della cella di carico nel tempo in condizioni di assenza di carico (zero).
Il coefficiente di temperatura dello zero indica l'entità della variazione del punto zero con le variazioni di temperatura.

Secondo lo standard nazionale, il coefficiente di temperatura dello zero dovrebbe essere ≤ 0,002% FS/°C.

La stabilità dello zero delle celle di carico analogiche dipende in gran parte dalla stabilità della temperatura dell'estensimetro e dal progetto di compensazione del circuito. Se la nuova cella di carico non subisce una compensazione della temperatura sufficiente durante la produzione (ad esempio, deviazione nella selezione dei valori delle resistenze di compensazione) o se la sensibilità alla temperatura dell'estensimetro differisce da quella del sensore originale, le variazioni della temperatura ambiente (come le differenze di temperatura giorno-notte o gli effetti termici derivanti dal funzionamento dell'apparecchiatura) causeranno significative deviazioni dell'uscita del punto zero.

Per esempio:

• La cella di carico originale emette 0,000 mV a 20°C senza carico e 0,001 mV a 30°C.

• La cella di carico di ricambio emette 0,000 mV a 20°C e 0,003 mV a 30°C.

Una variazione di temperatura di soli 10°C provoca una deriva del segnale di 0,002 mV, che, se convertita in dati di peso, può far sì che la bilancia visualizzi un valore positivo o negativo a carico zero, compromettendo seriamente i risultati di pesatura effettivi.

2. Scenari pratici e analisi delle cause delle deviazioni dei dati nonostante lo stesso campo nominale

Anche se il campo nominale della cella di carico di ricambio è identico a quello originale, durante la sostituzione e la manutenzione effettive, le sottili differenze nei parametri standard di cui sopra verranno amplificate attraverso l'intera catena di
acquisizione del segnale → trasmissione → elaborazione,
e alla fine appariranno come significative deviazioni nei dati di pesatura.

Sulla base degli scenari di funzionamento e manutenzione effettivi, le cause specifiche possono essere classificate nelle seguenti tre categorie:

**(I) Variazioni del processo di produzione: "Differenze di prestazioni nascoste" nei sensori dello stesso campo**

Gli standard nazionali specificano gli intervalli consentiti per i parametri di prestazione, ma non richiedono che i parametri dei sensori con lo stesso campo siano identici. Finché rientrano nei limiti, i sensori di produttori o lotti diversi possono ancora presentare piccole differenze, che diventano direttamente evidenti dopo la sostituzione.

Ad esempio, una fabbrica utilizza un sensore analogico da 100 kg (Classe C). Il sensore originale del produttore A ha una sensibilità di 2,005 mV/V, un errore di non linearità di 0,012% FS e un coefficiente di temperatura dello zero di 0,0015% FS/°C. Il sensore di nuova sostituzione del produttore B ha una sensibilità di 1,995 mV/V, un errore di non linearità di 0,018% FS e un coefficiente di temperatura dello zero di 0,0018% FS/°C. Dal punto di vista degli standard, entrambi soddisfano i requisiti della Classe C. Tuttavia, nell'applicazione pratica:

* Quando viene applicato un carico di 50 kg, il segnale di uscita del sensore originale è (50 kg / 100 kg) × 2,005 mV/V × Tensione di eccitazione (tipicamente 10 V) = 1,0025 mV. L'uscita del nuovo sensore è (50 kg / 100 kg) × 1,995 mV/V × 10 V = 0,9975 mV. La sola differenza di sensibilità causa una deviazione del segnale di 0,005 mV, corrispondente a una deviazione dei dati di peso di 0,005 mV ÷ (2,0 mV/V × 10 V / 100 kg) = 0,025 kg.
* Se la temperatura ambiente aumenta da 20°C a 30°C, la deriva dello zero del sensore originale è 0,0015% FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,15 kg, mentre per il nuovo sensore è 0,0018% FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,18 kg. La variazione di temperatura aggiunge altri 0,03 kg di deviazione. La deviazione totale combinata raggiunge 0,055 kg. Se utilizzato per l'imballaggio di alimenti (ad esempio, che richiede una precisione di ±0,05 kg), ciò causerebbe direttamente prodotti con peso eccessivo o insufficiente.

Inoltre, alcuni produttori più piccoli, per ridurre i costi, potrebbero non calibrare rigorosamente i parametri in base agli standard nazionali. Ad esempio, la deviazione effettiva della sensibilità potrebbe raggiungere 0,05 mV/V (superando il requisito standard di ±0,02 mV/V), eppure il sensore è ancora etichettato come "campo da 100 kg". Le differenze nei dati dopo la sostituzione con tali sensori sarebbero ancora più pronunciate.

**(II) Processi di installazione e calibrazione: mancato rispetto dei "requisiti di adattamento del segnale" del sistema originale**

L'accuratezza dei dati dei sensori analogici dipende non solo dalle loro prestazioni, ma è anche strettamente correlata al metodo di installazione e alla calibrazione del sistema. Anche se i parametri di un sensore di ricambio sono conformi agli standard nazionali, la mancata operazione in base ai requisiti di adattamento del sistema originale durante la sostituzione può portare a deviazioni dei dati.

1. **Deviazione della posizione di installazione e dello stato del carico**
Il segnale di uscita di un sensore analogico è direttamente correlato alla direzione della forza e alla planarità dell'installazione. Gli standard nazionali richiedono che durante l'installazione del sensore, il carico agisca verticalmente sul centro dell'elemento elastico e l'errore di planarità della superficie di montaggio dovrebbe essere ≤ 0,1 mm/m. Se il sensore di ricambio viene installato con un offset di posizione (ad esempio, uno spostamento di 5 mm dalla posizione centrale originale) o se la superficie di montaggio non è livellata (ad esempio, con un'inclinazione di 0,2 mm/m), la forza effettiva sul sensore non si allineerà con la "direzione del carico nominale" del suo campo nominale. Ad esempio, un sensore da 100 kg potrebbe subire 98 kg di carico verticale, ma anche sopportare 2 kg aggiuntivi di forza laterale, causando un segnale di uscita inferiore al normale, che si manifesta come una "deviazione dei dati di pesatura".
Inoltre, in scenari che coinvolgono più gruppi di sensori (ad esempio, in veicoli, tramogge), gli standard nazionali richiedono che la deviazione dell'uniformità della distribuzione del carico tra i sensori sia ≤ 1% FS. Se, quando si sostituisce un sensore, la sua altezza non viene regolata (ad esempio, creando una differenza di altezza superiore a 0,5 mm rispetto ad altri sensori), il carico potrebbe concentrarsi sugli altri sensori, lasciando il nuovo sensore sottocaricato. Ciò si traduce in dati di pesatura complessivi inferiori al previsto.

**2. Mancata riesecuzione della calibrazione del sistema**

Il segnale di un sensore analogico deve subire "amplificazione - filtraggio - conversione analogico-digitale" da uno strumento prima di poter essere convertito in dati di pesatura. Gli standard nazionali richiedono che un sistema di pesatura analogico debba subire una nuova "calibrazione del sistema" dopo aver sostituito un sensore. Ciò comporta il caricamento di pesi standard e la regolazione del fattore di amplificazione e del valore di compensazione del punto zero dello strumento per far corrispondere il segnale di uscita del sensore al peso standard.

Se la calibrazione non viene eseguita dopo la sostituzione e lo strumento continua a utilizzare i parametri del sensore originale (ad esempio, la sensibilità originale del sensore di 2,005 mV/V rispetto a 1,995 mV/V del nuovo sensore), il peso calcolato dallo strumento sarà deviato. Ad esempio, quando viene caricato un peso standard di 50 kg, il nuovo sensore emette 0,9975 mV (come nel caso precedente), ma se lo strumento calcola ancora in base alla sensibilità di 2,005 mV/V, il peso risultante è 0,9975 mV ÷ (2,005 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 49,75 kg, che differisce dai 50 kg effettivi di 0,25 kg, una deviazione che supera di gran lunga l'intervallo consentito standard.

Alcuni utenti credono erroneamente che "i sensori con lo stesso campo possono essere sostituiti direttamente" e trascurano la fase di calibrazione del sistema, che è una causa comune di discrepanze nei dati.

**(III) Invecchiamento e usura: "Differenze di decadimento delle prestazioni" tra sensori vecchi e nuovi**

Dopo un uso a lungo termine, i sensori analogici subiscono spostamenti dei parametri di prestazione dal loro stato iniziale a causa dell'invecchiamento e dell'usura. I nuovi sensori sono nel loro "stato di prestazione iniziale". Anche se il campo è lo stesso, le differenze di parametri tra i sensori vecchi e nuovi possono portare a deviazioni dei dati, un fenomeno particolarmente evidente quando si sostituiscono sensori che sono stati in uso per oltre 5 anni.

Secondo gli standard nazionali, la durata tipica di un sensore analogico è di 10 anni. Tuttavia, il decadimento delle prestazioni accelera in ambienti difficili (ad esempio, alta temperatura, umidità, polvere):
* L'elemento elastico può subire "deformazione plastica" sotto carico a lungo termine, portando a una diminuzione della sensibilità (ad esempio, da 2,0 mV/V a 1,98 mV/V).
* L'invecchiamento dello strato di incollaggio dell'estensimetro può aumentare l'errore di isteresi (ad esempio, da 0,01% FS a 0,03% FS).
* L'ossidazione delle resistenze di compensazione nel circuito può aggravare la deriva dello zero (ad esempio, da 0,001 mV/h a 0,005 mV/h).

Quando viene installato un nuovo sensore, i suoi parametri sono conformi ai "requisiti iniziali" dello standard nazionale (ad esempio, sensibilità 2,005 mV/V, errore di isteresi 0,012% FS). Tuttavia, lo strumento del sistema potrebbe essersi adattato ai "parametri decaduti" del vecchio sensore (ad esempio, calcolando in base a una sensibilità effettiva di 1,98 mV/V). Se non viene ricalibrato, il segnale di uscita del nuovo sensore verrà "sovraamplificato" dallo strumento, manifestandosi come "dati di pesatura più pesanti". Ad esempio, sotto un carico di 50 kg, il nuovo sensore emette 1,0025 mV. Se lo strumento calcola utilizzando la sensibilità del vecchio sensore di 1,98 mV/V, il peso risultante è 1,0025 mV ÷ (1,98 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 50,63 kg, che differisce dai 50 kg effettivi di 0,63 kg.

**III. Soluzioni: riduzione delle discrepanze dei dati attraverso la conformità agli standard e l'ottimizzazione operativa**

Per prevenire discrepanze nei dati dopo la sostituzione di sensori analogici dello stesso campo durante la manutenzione, è essenziale gestire l'intero processo da "selezione - installazione - calibrazione", aderendo rigorosamente ai requisiti degli standard nazionali, ottimizzando al contempo le operazioni in base allo scenario applicativo effettivo:

**(I) Selezione: dare la priorità ai prodotti conformi con parametri corrispondenti**

* Durante la sostituzione, è necessario dare la priorità ai prodotti dello "stesso produttore e stesso modello" del sensore originale per garantire che parametri come sensibilità, errore di non linearità e coefficienti di temperatura siano coerenti (deviazione ≤ 0,01 mV/V o 0,005% FS).
* Se lo stesso modello non è disponibile, è necessario richiedere al produttore i rapporti di prova dei parametri conformi a "GB/T 7551-2019", concentrandosi sulla verifica di indicatori chiave come sensibilità, errore di non linearità e coefficiente di temperatura dello zero, garantendo che le deviazioni siano ridotte al minimo (ad esempio, deviazione della sensibilità ≤ 0,005 mV/V).

**(II) Installazione: attenersi rigorosamente ai requisiti standard per garantire una distribuzione uniforme del carico**

* Prima dell'installazione, controllare la planarità della superficie di montaggio (utilizzare una livella per garantire un errore ≤ 0,1 mm/m). Durante l'installazione, assicurarsi che la forza agisca verticalmente sul sensore, evitando forze laterali.
* Per gruppi di sensori multipli, utilizzare calibri di altezza per regolare la differenza di altezza tra i sensori a ≤ 0,2 mm, garantendo una distribuzione uniforme del carico.

**(III) Calibrazione: la calibrazione del sistema è obbligatoria dopo la sostituzione**

* Secondo lo standard nazionale "GB/T 14249.1-2008 Strumenti di pesatura - Requisiti tecnici generali", dopo aver sostituito un sensore analogico, è necessario eseguire una "calibrazione multipunto" utilizzando pesi standard (classe di accuratezza non inferiore a M1), inclusi almeno cinque punti: zero, 25% FS, 50% FS, 75% FS e 100% FS.
* Regolare il fattore di amplificazione e la compensazione del punto zero tramite lo strumento in modo che l'errore dei dati di pesatura in ogni punto di calibrazione rientri nell'intervallo consentito dallo standard nazionale (ad esempio, per gli strumenti di Classe III, l'errore consentito è ≤ 0,1%).

**IV. Riepilogo**

Il verificarsi di discrepanze nei dati di pesatura dopo la sostituzione di sensori analogici dello stesso campo deriva essenzialmente dal conflitto tra le "deviazioni dei parametri consentite dagli standard nazionali" e i "requisiti di precisione degli scenari applicativi pratici", uniti a sviste operative nell'installazione e nella calibrazione.

Sebbene "GB/T 7551-2019" fornisca un quadro conforme per la produzione di sensori, non elimina le sottili variazioni di prestazioni tra i prodotti dello stesso campo. Queste variazioni vengono amplificate nella pratica attraverso la catena di elaborazione del segnale, influenzando in definitiva l'accuratezza della pesatura.