Carlo Ferrero Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.RI.M.) Torino

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Carlo Ferrero Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.RI.M.) Torino"

Sabina Salvatori
8 anni fa
Visualizzazioni

1 Misurazione della forza: i campioni e la taratura dei trasduttori Carlo Ferrero Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.RI.M.) Torino 1

2 Come si definisce il vettore forza F = m. a 1 newton è la forza che applicata alla massa di 1 chilogrammmo imprime una accelerazione di 1 m/s 2

3 F = M. g l. Il vettore forza generato da una massa M in un campo gravitazionale con accelerazione di gravità g l. Unità derivata dalle grandezze: massa lunghezza tempo 3

4 SI Unità di misura della forza Nome : newton Simbolo : N 1 N = 1 kg. 1 ms -2 Nome adottato nel th CGPM Usata con multipli (dan, hn, kn, MN,) e sottomultipli (dn, cn, mn) 4

1 ms -2 Nome adottato nel 1971 14 th CGPM

5 Unità di forza non SI Dina (dy), oncia (ozf), libbra (lbf), chilogrammo (kgf) EVITARNE L USO!!! Si pagano multe per strumenti con unità non SI o accettate da SI. 5

6 dy g f N lb f dy 1 0, , , g f 980, , , N 100, , , lb f 444, , ,

7 Campione primario di misura della forza È un sistema che può essere caratterizzato metrologicamente in modo completo e indipendente facendo riferimento alle unità fondamentali del sistema SI. M L T -2 7

8 Sistemi primari per la misura della forza a) pesi diretti, azione diretta delle masse nel campo gravitazionale b) amplificazione meccanica: si amplifica la forza generata dalle masse con un sistema a leve; amplificazione idraulica: si amplifica la forza generata dalle masse con un sistema a pistone - cilindro; c) "Build-up" basato sul confronto con trasduttori di forza di riferimento 8

sistema a leve; amplificazione idraulica: si amplifica la forza generata dalle masse con un

9 La scala di forza in Italia Macchine a pesi diretti Comparatore Macchina a moltiplicazione idraulica 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 (N) 9

10 10 F = M. (g l g l ). (1-ρ a /ρ m ) g l, accelerazione di gravità locale, misurata vicino alla base inferiore della massa e g l è la variazione di g l lungo l altezza della macchina, ρ a e ρ m sono la massa volumica dell aria e del materiale che costituisce la massa. Quindi l incertezza relativa [u(f)/f] è data da

inferiore della massa e g l è la variazione di g l lungo l altezza della

11 g l = (9, ± 0, ) m/s 2 g l = (0,27 x10-6 ± 1 x10-7 ) m/s 2 ρ a = (1,18 ± 0,003) kg/m 3 ρ m = (7827 ± 8) kg/m = ) ( ) )u( ( ) ( ) )u( ( ) g ( g ) g u( ) g ( g ) u( g M u(m ) F u(f ) m a m m a m a a m l l l l l l ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ 11

1 1 1 + + + + + + + = ) ( ) )u( ( ) ( ) )u( ( ) g ( g ) g u( ) g ( g

12 12 Valori tipici per un campione di forza u(m ) M = 1 x 10-6 u( g l ) ( g + g ) l l u( g l ) = 0,1 x10-6 = 0,1 x10-6 ( g + g ) l l ( 1 ρ m )u( ρa ( 1 ρ ρ ) a m ) = - 0,4 x ( m ρa ρm )u( ρ ) 1 ( ρa ρm ) = 0,2 x10-6

13 13 La forza generata dai pesi viene trasferita al dinamometro da tarare mediante un telaio di carico, che non modifica la componente verticale del vettore forza ma può permettere che altre componenti non verticali e momenti vengano applicati al dinamometro in taratura Incertezza estesa da qualche parte in x 10-5

vettore forza ma può permettere che altre componenti non verticali e momenti

14 Transduttori di Forza: fattori di influenza meccanici Unsufficient guidance Guida insufficiente Oblique tensile for ce Forza tensile obliqua Dynami dinamici c Dead weight Pesi morti Manufacturing tolerances Tolleranze di fabbricazione Asymmetries Asimmetrie

Forza tensile obliqua Dynami dinamici c Dead weight Pesi morti

15 15 incertezza estesa relativa 1E-3 1E-4 1E-5 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Forza/N

16 16 I.N.RI.M.-30 kn a pesi diretti

17 17 I.N.RI.M.-100 kn a pesi diretti

18 18 I.N.RI.M kn e I.N.RI.M. 1MN a pesi diretti

19 19 I.N.RI.M.-1 1 MN a pesi diretti Particolare che mette in evidenza la composizione binaria delle masse.

20 Tretrasduttoridiforza utilizzati nel sistema Build-Up dell I.N.RI.M per la misura di forze fino a 3 MN 20

21 Sistema a Build-Up da 3 MN 21

22 22 DISSEMINAZIONE DELLA GRANDEZZA Sistemi primari Trasduttori secondari Trasduttori da lavoro Macchine prova materiali

23 Celle di carico ad anello lamella trasduttore Anello di prova con trasduttore a deflessione meccanica (Morehouse) Anello di prova con trasduttore a deflessione elettrico 23

24 Celle di carico di moderna concezione Esempio di progettazione Supporto per le Forze trasversali Membrana di misura

25 Trasduttore di forza da 20N to 50 kn con doppio elemento a flessione

26 Dinamometro a razze Capacità: 100kN...500kN Accurateza: 0,1%

27 Dinamometro a barra a flessione

28 28 Taratura di un trasduttore di forza Le norme UNI-EN 10002/3 ASTM E74 UNI EN ISO376 Prevedono la determinazione: - della forza misurata con la macchina campione di forza - della corrispondente risposta del dinamometro o cella di carico per vari livelli di carico applicato e per diversi cicli ripetuti in differenti posizioni del dinamomero

29 29 I risultati vengono elaborati come prevedono le norme quindi vengono confrontati con i valori fissi di riferimento Classificazione dei trasduttori di forza sulla base dei risultati di taratura UNI-EN 10002/3 4 classi ASTM E74 2 classi UNI EN ISO376 4 classi

30 30 UNI EN ISO 376 Due cicli di taratura a carichi crescenti per una stessa posizione angolare del dinamometro. Ciclo 1 (x 1 ) e Ciclo 2 (x 2 ).

31 31 Due cicli di taratura per valori crescenti e decrescenti dei carichi, ruotando il dinamometro rispettivamente di 120 e di 240. Ciclo 3 (x 3,x 4 ) e Ciclo 4 (x 5,x 6 ). 240 X 3 X X 1 e X 2

32 32 Errori di ripetibilità senza rotazione della cella (valutata considerando i due cicli di taratura a carichi crescenti per una stessa posizione angolare del dinamometro). b = x - 2 xwr x x wr = x 1 + x con rotazione della cella (valutata nelle tre posizioni angolari). b = x - x max min 100 x r 2 2 x + x + x x r = 3

33 33 Errore relativo di interpolazione, f c L errore di interpolazione è determinato utilizzando un equazione del primo, del secondo e del terzo ordine. x x f s - c c =. 100 xc

34 34 Errore relativo di zero, f o f 0 i - i = f x N i f i 0 lettura di zero dopo aver rimosso il carico finale lettura di zero prima di applicare il carico iniziale x N misura corrispondente alla lettura massima di ogni ciclo di carico Nel certificato di taratura viene riportato il valore massimo degli errori relativi di zero rilevati.

35 35 Errore relativo di reversibilità, v È dato dalla differenza fra i valori di uscita del dinamometro, a carico crescente e decrescente. v = x 4 -x 3 x 3 x -. 6 x x

36 36 Agli errori trovati si associa un incertezza di tipo B. L ampiezza dell intervallo di variabilità è dato dagli errori.

37 37 Contributi all incertezza Distribuzioni di probabilità Varianza deviazione dello zero ripetibilità senza rotazione Riproducibilità (ripetibilità con rotazione) rettangolare u zero2 = f 02 / 3 rettangolare u rip2 = f 2 b / 3 U u rot2 = f b2 / 2 risoluzione rettangolare u ris2 = f ris2 / 3 isteresi rettangolare u rev2 = v 2 / 3 interpolazione triangolare u int2 = f c2 / 6

38 38 I contributi sono non correlati. I coefficienti di sensibilità sono uguali a 1. Dalla varianza relativa, per ciascun valore della forza applicata, si calcola l incertezza tipo composta. u tras = u 2 fo + u 2 b' + u 2 b + u 2 fc + u 2 ris + u 2 u U = K u 2 + u 2 tras riferimento

39 39 Errori relativi previsti dalla norma UNI-EN-ISO 376 Classe Errori relativi dello strumento misuratore della forza (%) Riproducibilità Ripetibilità Interpolazione Zero Reversibilità Incertezza del riferimento (b) (b') (fc) ( f 0 (u) ) 00 0,05 0,025 0,025 0,012 0,07 0,01% 0,5 0,10 0,050 0,050 0,025 0,15 0,02% 1 0,20 0,100 0,100 0,050 0,30 0,05% 2 0,40 0,200 0,200 0,100 0,50 0,10%

40 40 Riproducibilità (b) Ripetibilità (b ) Interpolazione Zero (f 0 ) Reversibilità (v) (f c ) Classe 00 Max errore (%) 0,050 0,025 0,025 0,012 0,070 Semiintervallo di variabilità 25 x ,5 x ,5 x x x x ,2 x ,6 x ,2 x x 10-9 Risoluzione 0,025 12,5 x ,2 x 10-9 Incertezza del riferimento 1 x x u 2 U trasd = 58 x 10-5 U taratura = 59 x 10-5

41 41 min. max. Classe 00 U rif 0,06 % Classe 0.5 0,06 % 0,12 % Classe 1 0,12 % 0,24 % Classe 2 0,24 % 0,45 %

42 42 Stabilità a lungo termine Temperatura Sono contributi aggiuntivi all incertezza che dovranno essere presi in considerazione dall utilizzatore.

43 AVER 43 LETTO TUTTO GRAZIE PER

Documenti analoghi

TITOLO: CONTRIBUTI DI INCERTEZZA DERIVANTI DAI RISULTATI DI TARATURA DEI TRASDUTTORI DI FORZA E STIMA DELLE VARIANZE

TITOLO: CONTRIBUTI DI INCERTEZZA DERIVANTI DAI RISULTATI DI TARATURA DEI TRASDUTTORI DI FORZA E STIMA DELLE VARIANZE Identificazione: SIT/Tec-013/05 Revisione: 0 Data 2005-06-06 Pagina 1 di 10 Annotazioni: Il presente documento è ispirato al rapporto interno IMGC 1040. COPIA CONTROLLATA N CONSEGNATA A: COPIA NON CONTROLLATA