RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Metodologia di attuazione della Direttiva Strumenti di Misura (MID)

Università di riferimento

Universita' degli Studi di ROMA - MECCANICA E AERONAUTICA - ROMA(RM)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Paolo CAPPA

Descrizione

1. CONSIDERAZIONI GENERALI Lo scopo che occorre raggiungere nei sistemi di pesatura automatici sono: (1) una gestione completamente automatica della produzione; (2) un miglioramento qualitativo degli standard produttivi mediante una verifica ed un continuo adattamento delle quantità in quanto "mettere troppo non paga, mettere di meno è illegale!"; (3) una verifica degli obblighi di legge. Per di più i sistemi di pesatura hanno la necessità di una rapida risposta nella misura accurata del peso, in quanto il dispositivo di misura deve operare alla velocità del nastro trasportatore che deve essere controllato. La risposta dinamica del sistema è funzione dei seguenti parametri: (1) le caratteristiche dinamiche della catena di misura; (1.a) unità di amplificazione e filtri passa basso; (1.b) tempo di conversione dell'unità di conversione A/D ed il numero di conversioni utilizzate in ogni ciclo di pesata; (2) la risposta e la frequenza di risonanza del sistema che è determinata dallo specifico modello di cella di carico che è stata utilizzata, dal valore della portata massima, dal peso totale applicato sulla cella di carico; (3) il tempo di risposta del sistema di caricamento. Il tempo di risposta della cella di carico determina, evidentemente, quanto velocemente la lettura si stabilizza dopo la applicazione del carico. Un valore elevato del tempo di risposta determina la generazione di oscillazioni che causano un più esteso intervallo di tempo per raggiungere la condizione di equilibrio e, quindi, una peggiore ripetibilità delle misure. Tutti questi aspetti sono ulteriormente compromessi se la cella di carico debba operare in condizioni ambientali ostili quali sono quelle dovute alla presenza di vibrazioni. 2. ANALISI SPERIMENTALI Il metodo sperimentale che si intende utilizzare nel presente progetto di ricerca è in grado di verificare le prestazioni metrologiche delle celle di carico di tipo industriale usate nei sistemi di pesatura; il metodo utilizza le forze inerziali, generate da un eccitatore elettromagnetico, dalle masse di valore noto applicate al trasduttore di forza. Il metodo è stato proposto e sviluppato da Kumme [1-2]. In questo metodo le forze dinamiche ad una singola frequenza di eccitazione sono applicate alla cella di carico e questo metodo è già stato utilizzato ed esaminato criticamente dalla Unità di Ricerca dell'Università di Roma "La Sapienza" [3]. Il metodo si è dimostrato efficace nella valutazione delle caratteristiche del trasduttore di forza limitatamente alle condizioni alle quali il sensore è stato provato ossia in una continua vibrazione a singola frequenza. Park et al. [4-5] hanno utilizzato questo metodo per la analisi dinamica di celle del tipo multicomponente. Tuttavia, questo metodo non è intrinsecamente in grado di valutare la risposta dei trasduttori ad ingressi di tipo impulsivo che è di interesse invece nel crash test delle strutture, della strumentazione e delle macchine. Un ulteriore metodo, in grado di superare le precedenti limitazioni, è descritto nella letteratura scientifica e si basa sulla valutazione della risposta ad un ingresso di natura impulsiva. Più precisamente viene fatta collidere una massa sul trasduttore di forza e l'impulso, ossia l'integrale temporale della forza di impatto, è misurato in maniera particolarmente accurata in termini di cambiamento del momento della massa [6-12]. Tuttavia in ragione dell'approccio scelto, che è quello di valutare gli effetti indotti da un ambiente ostile, suggerisce di utilizzare la prima metodologia piuttosto che la seconda. Quindi, mediante la applicazione di una legge di moto di tipo sinusoidale i seguenti test possono essere condotti: (1)rapidi test condotti al 10%, 50% e 90% del fondo scala della cella di carico in condizioni isotermiche (temperatura del peso applicato uguale a quella della cella di carico); (2)rapidi test condotti al 10%, 50% e 90% del fondo scala della cella di carico in condizioni non isotermiche (temperatura del peso applicato diversa da quella della cella di carico); Mediante questi test si intendono calcolare i coefficienti moltiplicativi che permettono la correzione dei parametri inferenti. In seguito si intende effettaure i seguenti test: (1)test che si protraggono per lunghi intervalli di tempo condotti al 10%, 50% e 90% del fondo scala della cella di carico in condizioni isotermiche (temperatura del peso applicato uguale a quella della cella di carico); (2)test che si protraggono per lunghi intervalli di tempo condotti al 10%, 50% e 90% del fondo scala della cella di carico in condizioni non isotermiche (temperatura del peso applicato diversa da quella della cella di carico). Lo scopo che si intende perseguire con questi test è la valutazione della caratteristiche di stabilità in condizioni avverse, ossia quando le condizioni di isotermia non sono assicurate e quando condizioni meccaniche ostili sono anche presenti. È necessario osservare che gli indicatori statistici di stabilità in grado di monitorare on-line l'entità della deriva sono già stati sviluppati e testati dall'Unità di Ricerca di Roma "La Sapienza" [13-16]. Ovviamente, occorre anche decidere una metodologia di calcolo dell'incertezza che sia applicabile per la elaborazione dei dati acquisiti dalla cella di carico. Il "International Committee for Weights and Measures" ha proposto un approccio per esprimere le incertezze [17]. La elaborazione di questo metodo è deducibile in Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement [18]. La guida suggerisce che un modello adeguato deve contenere tutte gli ingressi che si possono considerare rilevanti e che debbano poi considerare le loro incertezze standard e le loro mutue covarianze. Basandosi su detta Guida numerosi metodi sono stati proposti per il calcolo dell'incertezza [20-23]. Giova osservare che standard internazionali per provare celle di carico ad anello (EN 10002-3) [24] hanno classificato cinque componenti della incertezza ossia: errore di ripetibilità alla rotazione, errore di ripetibilità senza rotazione, errore di zero, errore di interpolazione ed errore di taratura. 3. EFFETTI INDOTTI DALLE VIBRAZIONI NELL'USCITA DELLE CELLE DI CARICO Tutte le caratteristiche metrologiche sono fortemente dipendenti dal livello di vibrazioni al quale è sottoposto la cella di carico ed ancor più quando si debbano condurre misure per lunghi intervalli di tempo. In generale si indica con il termine di instabilità il fenomeno fisico che determina scostamenti non prevedibili dell'uscita pur essendo costante la grandezza misurata. Più in particolare si riferisce a quelle situazioni per le quali il sistema viene bilanciato e non si può più verificare il mantenimento delle condizioni di zero. L'instabilità è quindi l'incapacità di un sistema di misura di raggiungere la riproducibilità. Inoltre la stabilità per lunghi intervalli di tempo è ancor più difficile da ottenere quando le celle di carico non sono utilizzate a temperatura ambiente in quanto la temperatura è la principale grandezza che può compromettere la stabilità di una catena di misura. Il danneggiamento della installazione degli estensimetri (ossia dei trasduttori secondari delle celle di carico) è funzione del tempo e della temperatura di lavoro e tutto ciò riduce la stabilità e la qualità dei dati misurati dal trasduttore di forza. 4. INDICI STATISTICI PER L'ANALISI PREDITTIVA DELLA INSTABILITA' DI ESTENSIMETRI ELETTRICI A RESISTENZA Allo scopo di analizzare on-line la instabilità si intendono utilizzare test non parametrici. Più in particolare si incentrerà l'attenzione sul run test e reverse arrangement test. Detti test sono già stati sviluppati e testati dall'Unita di Ricerca e quindi si ha già a disposizione pacchetti SW di postprocessing che possono essere efficacemente impiegati nella ricerca. Quindi, in base allo studio preliminare di natura teorica già svolto, si potranno monitorare on-line le celle di carico. 5. FASI DELLA RICERCA 5.1 FASE N.1 – Durata della fase di ricerca: 6 mesi (0-6) (a) aggiornamento della bibliografia (b) individuazione, in collaborazione con gli altri gruppi di ricerca, delle specifiche del dispositivo sperimentale; (c) progettazione del dispositivo sperimentale; (d) analisi delle cause inferenti di errore dovute all'ambiente; (e) identificazione delle procedure di calibrazione per correttamente stimare le incertezze associate ai valori misurati; (f) acquisizione degli strumenti e realizzazione del dispositivo sperimentale. RISULTATI ATTESI (a) rapporti sintetici che verranno condivisi tra le Unità Operative 5.2 FASE N.2 – Durata della fase di ricerca: 10 mesi (4-14) (a) verifica delle prestazioni metrologiche del sistema (b) prima valutazione degli effetti indotti dalle vibrazioni in misure di forza che sono condotte per brevi intervalli di tempo (c) valutazione della variabilità delle prestazioni (d) condivisione dei risultati tra le Unità Operative RISULTATI ATTESI (a) rapporti sintetici che verranno condivisi tra le Unità Operative (b) scambio delle celle di carico tra le Unità Operative in modo da condurre esami comparati tra le UO 5.3 FASE N.3 – Durata della fase di ricerca: 6 mesi (12-18) (a) sintesi dei risultati ottenuti dalle diverse UO in modo da proporre una sorta di coefficiente "coefficiente ambientale" che riesca a sintetizzare la qualità della cella di carico rispetto a fattori ambientali (effetto delle vibrazioni). (b) Impostazione e conduzione di prove di lunga durata (circa 70°C) così da valutare la stabilità delle celle di carico. (c) Utilizzazione di metodi non parametrici per la individuazione on-line della instabilità in condizioni industriali. RISULTATI ATTESI (a) rapporti sintetici che definiscano un "coefficiente ambientale" che tenga conto in maniera flessibile della Direttiva MID. (b) Rapporti che sintetizzino la procedura di analisi statistica non parametrica per la valutazione della instabilità. 5.4 FASE N.4 – Durata della fase di ricerca: 8 mesi (16-24) (a) sintesi conclusiva dei risultati conseguiti per lo studio dei installazione delle celle di carico. (b) Sintesi conclusiva delle capacità di monitoraggio on-line di fenomeni di instabilità di test statistici non parametrici RISULTATI ATTESI (a) report conclusivo che sintetizzi la qualità delle celle di carico di interesse industriale (b) report conclusivo che consenta la valutazione delle non conformità MID in utilizzazioni sul campo che non si limiti alla sola risposta Sì/No ma che consenta la valutazione delle grandezze interferenti più rilevanti in modo da migliorare il processo produttivo. 6. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE DI TIPO GENERALE Pertanto, A) mediante un aggiornamento ed un miglioramento della strumentazione già posseduta dalla Unità Operativa B) in tagione della specifica competenza dei componenti del gruppo di ricerca che si è costituito attorno alla presente richiesta di finanziamento, si potranno raggiungere miglioramenti significativi nel comportamento di celle di carico utilizzate in ambito industriale a tutto beneficio della competitività del prodotto.