Doğruluk, Çözünürlük, Tekrar Edilebilirlik ve Bütün O Şeyler

Bu makale konum transdüserlerine odaklanmakta ve bazı terimleri, uygulamanız için doğru enstrümantasyon özelliklerini belirlerken dikkat etmeniz gereken şeyleri ve bazı yaygın hataları açıklamaktadır.

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)

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.

Aşağıda gösterilen örnekte, hayli doğrusalsız bir transdüser, nispeten daha düşük sayıda referans noktasına sahip yüksek seviyede lineer (doğru) bir cihaza kalibre edilmektedir.

Şekil 3 – hızlı değişen hatalara sahip doğrusalsız bir sensörün kalibrasyonu

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.

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 80-400 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 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.