Doğruluk, Çözünürlük, Tekrar Edilebilirlik ve Bütün O Şeyler

Transkript

1 T E K N İ K T A N I T I M B E L G E S İ Doğruluk, Çözünürlük, Tekrar Edilebilirlik ve Bütün O Şeyler Yazar: Dr Darran Kreit, Teknik Müdür, Zettlex UK Ltd Dosya ref: technical articles/ölçüm Terminolojisi_rev3.0 w w w. z e t t l e x. c o m

2 Giriş Belki de enstrümantasyon teorisini işledikleri gün okulda değildiniz: bilirsiniz doğruluk, çözünürlük, tekrar edilebilirlik ve bütün o şeyler. Hiç yalnız değilsiniz pek çok mühendis mühendisliğin bu alanını ya unutmuştur ya da hiç tam olarak anlamamıştır. Enstrümantasyonun terminolojisi ve oldukça özel olan teknik kavramları kafa karıştırıcıdır. Yine de, uygulamanız için doğru ölçüm enstrümanını seçmeniz için çok önemlidir. Yanlış seçimi yaparsanız, gereğinden fazla özelliğe sahip transdüserler için fahiş fiyatlar ödeyebilirsiniz; yanlışını alırsanız ürününüz veya kontrol sisteminizde kritik performans eksik kalabilir. Bu makale konum transdüserlerine odaklanmakta ve bazı terimleri, uygulamanız için doğru enstrümantasyon özelliklerini belirlerken dikkat etmeniz gereken şeyleri ve bazı yaygın hataları açıklamaktadır. Tanımlar İlk olarak bazı tanımlar:- Bir enstrümanın Doğruluğu çıktı doğruluğunun ölçüsüdür Bir enstrümanın Çözünürlüğü konumda ölçebileceği en küçük artış ya da azalmanın ölçüsüdür Bir konum ölçüm enstrümanının Hassasiyeti çoğaltılabilirlik derecesidir. Bir konum ölçüm enstrümanının Lineerliği transdüserin çıktısı ve ölçülen gerçek deplasmanın arasındaki farkın ölçüsüdür Çoğu mühendis hassasiyet ve doğruluk arasındaki farkları karıştırır. Doğruluk ve hassasiyet arasındaki farkı, bir hedefe atılan ok örneğiyle açıklayabiliriz. Doğruluk, okun hedefin merkezine olan yakınlığıdır. Şekil 1 doğru bir atış (sol) ve hassas atış (sağ) T E K N İ K T A N I T I M B E L G E S İ / 1

3 Birden çok ok atılsaydı, hassaslık ok kümesinin boyutunu gösteren şeydir. Bütün oklar birlikte toplanmışsa küme hassas sayılır. Mükemmel derecede lineer bir ölçüm cihazı aynı zamanda mükemmel derecede doğrudur. Özellik Belirleme Gereklilikleri Öyleyse her şey çok kolay - her seferinde çok doğru ve çok hassas ölçüm enstrümanları belirlerseniz sorun kalmaz, değil mi? Ne yazık ki, bu yaklaşımda bazı büyük engeller bulunuyor. Birincisi, yüksek doğruluğa, yüksek hassasiyete sahip enstrümantasyon daima pahalıdır. İkincisi, yüksek doğruluğa, yüksek hassasiyete sahip enstrümantasyona dikkatli bir kurulum gerekebilir ve bu, titreşim, ısıl genişleme/büzülme, vs. sebebiyle mümkün olmayabilir. Üçüncüsü, yüksek doğruluğa, yüksek hassasiyete sahip bazı enstrümanlar aynı zamanda narindir ve çevre koşullarında, özellikle sıcaklık, kir, nem ve yoğuşmada meydana gelen değişiklikler sonucunda tekleyebilir ya da arızalanabilir. En uygun strateji gerekli olan özellikleri belirlemektir ne daha azını, ne daha çoğunu. Örneğin endüstriyel bir akış ölçerdeki bir deplasman transdüserinde, lineerlik kilit bir gereklilik olmayacaktır, çünkü muhtemelen sıvının akış özellikleri doğrusalsız olacaktır. Tekrar edilebilirlik ve değişen çevre koşullarında stabilitenin kilit gereklilikler olması daha muhtemeldir. Bir CNC tezgahı aletinde, doğruluk ve hassaslığın kilit gereklilikler olması muhtemeldir. Bu doğrultuda, yüksek doğruluğa (lineerlik), çözünürlüğe ve uzun süreler boyunca kirli, ıslak ortamlarda bile bakım yapılmaksızın yüksek tekrar edilebilirliğe sahip olacak bir deplasman ölçüm enstrümanı kilit gerekliliklerdir. Herhangi bir ölçüm enstrümanının teknik özelliklerindeki, özellikle iddia edilen doğruluk ve hassasiyetin çevresel etkiler, yaş veya kurulum toleranslarına göre nasıl değiştiğini anlatan küçük harfleri daima okumak iyi bir uygulamadır. Bir başka iyi uygulama, bir enstrümanın lineerliğinin tam olarak nasıl değiştiğini öğrenmektir. Lineerlik değişimi monotonsa ya da yavaşça değişiyorsa, doğrusalsızlık birkaç referans noktası kullanılarak kolayca kalibre edilebilir. Örneğin, bir boşluk ölçüm cihazında bu, bazı kayma geyçleri ile yapılabilir. T E K N İ K T A N I T I M B E L G E S İ / 2

4 Aşağıda gösterilen örnekte, hayli doğrusalsız bir transdüser, nispeten daha düşük sayıda referans noktasına sahip yüksek seviyede lineer (doğru) bir cihaza kalibre edilmektedir. Şekil 2 yavaş değişen hatalara sahip doğrusalsız bir sensörün kalibrasyonu Bununla birlikte, ikinci örnekte hızlı değişen bir cihaz 10 noktadan kalibre edilmektedir ve lineerliği neredeyse değişmemektedir. Bu kadar hızlı değişen bir değişim karakteristiğinin lineerleşmesi için >1000 puan gerekir. Böyle bir işlemin kayma geyçleriyle pratik olması pek muhtemel değildir, ama bir arama tablosundaki ölçümleri, bir lazer interferometresi gibi daha yüksek performanslı bir referans cihazla karşılaştırmak pratik olabilir. Şekil 3 hızlı değişen hatalara sahip doğrusalsız bir sensörün kalibrasyonu T E K N İ K T A N I T I M B E L G E S İ / 3

5 Yaygın bir hata - Optik Kodlayıcılar Optik kodlayıcılar, genelde camdan bir disk olan optik bir unsurun üzerine ya da içinden ışık vermek suretiyle çalışır. Işık, diskin şekilleri tarafından engellenir ya da ya da bunların içinden geçer ve pozisyona paralel bir sinyal oluşturulur. Cam diskler, üreticilerin yüksek hassasiyet sağladığını iddia ettiği küçük detaylara sahip inanılmaz unsurlardır. Genelde çok aşikar olmayan şey, bu ince detaylar toz, kir, yağ, vb. tarafından kapatıldığında ne olacağıdır. Gerçekte çok az miktarda yabancı madde bile yanlış ölçümlere sebep olabilir. Dahası, meydana gelen arızayla ilgili nadiren bir uyarı alınır - yalnızca cihazın çalışması tamamen durur. Buna katastrofik arıza denir. Daha da az bilinen bir şey de optik kodlayıcılar ve özellikle optik kodlayıcı kitlerindeki doğruluk sorunudur. 18 bit çözünürlüğe sahip 1 nominal disk kullanan bir opti cihaz düşünün (256k puan). Tipik olarak böyle bir cihaz için iddia edilen doğruluk +/-10 yay saniyedir. Ancak, büyük harflerle yazılması gereken asıl şey (ki asla yazılmaz) belirtilen doğruluğun, diskin okuma kafasına mükemmel uygunlukta hareket etmesini ve sıcaklığın sabit olmasını gerektirmesidir. Daha gerçekçi bir örnek göz önüne alırsak, disk hafif eksantrik olarak 0,001 (0,025mm) açıyla monte edilir. Şekil 4 eşmerkezsiz optik disk ve okuma kafası T E K N İ K T A N I T I M B E L G E S İ / 4

6 Eşmerkezlilik pek çok kaynaktan gelir ve aşağıda bunlardan yalnızca bazıları listelenmektedir: - göbeğindeki cam diskin eşmerkezlilik - göbeğin geçiş deliğinin optik diske kıyasla eşmerkezliliği - göbeğin optik diskin düzlemine kıyasla düşeyliği - optik disk yüzeyinin okuma kafasının düzlemine paralelliği - göbeğin monte edildiği milin eşmerkezliliği - rulmanların ve ana mili destekleyen rulman yataklarındaki aralıklar - rulmanların hatalı hizalanması - milin yuvarlaklığı ve göbeğin geçiş deliğinin yuvarlaklığı - bulma yöntemi (tipik olarak başsız bir vida göbeği bir yana doğru çeker) - gerilimler ya da milin rulmanlarındaki güçlerin yol açtığı gerginlikten kaynaklanan deplasmanlar - ısıl etkiler - vs. vs. Mükemmel olarak monte edilmiş bir optik disk, o kadar ince mühendislik ister ki, maliyeti kullanılmalarını güçleştirir. Gerçekte bir ölçüm hatası vardır çünkü optik disk, okuma kafasının olduğunu sandığı yerde değildir. Örneğin 0,001 bir montaj hatası olduğunu düşünürsek, ölçüm hatası açının optik kuşak yarıçapında 0,001 değere karşılık gelen açıya eşdeğerdir. Matematiği kolaylaştırmak için kuşakların 0,5 yarıçapta olduğunu varsayalım. Bu, 2 miliradyan veya 412 yay saniyelik bir hataya denk gelir. Bir başka deyişle, 10 yay saniyelik spesifikasyona sahip bir cihaz, veri sayfasında yazandan yaklaşık 40 kat daha az doğrudur. Optik bir diski bir inçin 0,001 'i kadar içine doğru biçimde yerleştirebilirseniz, çok iyi işi çıkarıyorsunuz demektir. Gerçekçi bakmak gerekirse, bir inçin 2-10 binde biri aralığında olmanız daha muhtemeldir, bu yüzden doğruluk orijinal olarak hesaplanandan kat daha kötü olacaktır. Alternatif Bir Yaklaşım Bir çözücünün ya da IncOder gibi yeni nesil bir endüktif cihazın ölçüm prensibi tamamen farklıdır. Ölçüm, rotor (disk) ve statör (okuyucu) arasındaki karşılıklı endüktansa dayalıdır. Pozisyonu bir noktada alınan ölçümlerden hesaplamak yerine, ölçümler hem statör hem de rotorun tam yüzü üzerinden oluşturulur. Buna bağlı olarak, cihazın bir kısmındaki eşmerkezsizlikten kaynaklanan uyuşmazlıklar, cihazın zıt kısmındaki karşıt etkilerle etkisiz T E K N İ K T A N I T I M B E L G E S İ / 5

7 duruma getirilir. Çözünürlük ve doğrulukla ilgili öne sürülen rakamlar genelde optik kodlayıcılardakiler kadar etkileyici değildir. Ancak önemli olan şey, bu ölçüm performansının ideal dışı çeşitli koşullarda sürdürülüyor olmasıdır. Şekil 5 yeni nesil bir endüktif IncOder ortam şartlarından bağımsız olarak yüksek seviyede doğru Yeni nesil IncOder'lerin belirtilen ölçüm performansı, rotor ve statörün mükemmel hizalanmasına dayalı olarak belirtilmez, gerçekçi olarak elde edilebilen toleranslar (tipik olarak +/-0,25mm) belirtilen bütün çözünürlükler, tekrar edilebilirlikler ve doğruluklarda hesaba katılır. Ayrıca, endüktif cihazlar için belirtilen performans yabancı maddeler, nem, kullanım ömrü, rulman eskimesi veya titreşimden kaynaklanan değişkenliğe tabi değildir. Zettlex in IncOder serisindeki endüktif açılı kodlayıcıları, kısa sürede zorlu ortamlar için güvenilen konum sensörü haline gelmiştir. Seride, 17bit çözünürlüğe kadar 37mm çaplı mini IncOder'ler, 19bit çözünürlüğe kadar 58mm çaplı midi IncOder'ler ve 22 çözünürlüğe kadar 75mm den 300mm ye kadar çaplı maxi IncOder'ler yer almaktadır. T E K N İ K T A N I T I M B E L G E S İ / 6

8 Diğer Bilgiler / İletişim Zettlex endüktif konum algılama teknolojisi hakkında daha fazla bilgi almak ya da uygulamanızla ilgili olarak bir konum sensörü uzmanıyla görüşmek için lütfen Zettlex ile doğrudan irtibata geçin ya da en yakınınızdaki yerel temsilciyle konuşun. Birleşik Krallık Şirket Merkezi Zettlex UK Ltd Newton Court, Newton, Cambridge, CB22 7ZE, United Kingdom İletişim: Mark Howard veya Josef de Pfeiffer E-posta: info@zettlex.com Telefon: İnternet: Uluslararası Zettlex'in tüm dünyaya yayılmış bir satıcı ve distribütör ağı bulunmaktadır. Yerel temsilcinizi bulmak için lütfen internet sitemizi ziyaret edin: T E K N İ K T A N I T I M B E L G E S İ / 7