La strumentazione scientifica medica è un'area in cui tutti si aspettano precisione e sicurezza. Come i produttori possono fornire apparecchiature "perfette" ad un prezzo ragionevole? In una sola parola, calibrazione. La calibrazione è un confronto delle prestazioni dell'apparecchio con uno standard di precisione noto e una relativa correzione al fine di ridurre al minimo gli errori.
Introduzione
Le tecniche di calibrazione riducono le tolleranze nelle apparecchiature imperfette pur mantenendo una certa convenienza economica. Tutte le componenti sia meccaniche che elettroniche hanno tolleranze di fabbricazione. Quando i componenti vengono assemblati in un sistema, le singole tolleranze si sommeranno per crearne una totale di errore di sistema. Attraverso il corretto design dei circuiti è possibile correggere questi errori di sistema, rendendo l'apparecchiatura sicura, precisa e conveniente. La calibrazione può ridurre i costi in molte aree. Può essere usata per rimuovere le tolleranze di fabbricazione, ridurre i tempi di prova, migliorare l'affidabilità, aumentare la soddisfazione del cliente e la velocità di consegna dei prodotti, ridurre i costi di garanzia. L'approccio digitale produce una migliore affidabilità e può ridurre le preoccupazioni relative alla responsabilità del prodotto. Le prove e la calibrazione rientrano in tre aree di ampio respiro: test di prova della linea di produzione, autodiagnosi periodica e continuo monitoraggio e aggiustamento (al seguente articolo un approfondimento sugli errori di sistema). Un modo per costruire uno strumento elettronico di misura per un laboratorio è quello di utilizzare tolleranze estremamente strette per ogni componente. Questa spesa potrebbe essere garantita solo in alcune applicazioni. Tuttavia, un altro approccio può portare alla precisione richiesta ad un costo inferiore. Questo secondo metodo, che utilizza la calibrazione, può garantire oltretutto uno strumento più preciso. Lo strumento è realizzato con componenti ad elevata tolleranza. Queste tolleranze vengono tarate fuori misura confrontando lo strumento con uno standard affidabile.
Compensazione delle tolleranze dei componenti utilizzando la calibrazione finale
La calibrazione di test finale corregge gli errori causati dalle tolleranze combinate di molti componenti. È possibile richiedere una o più regolazioni per calibrare il dispositivo in esame (DUT) al fine di soddisfare le specifiche del produttore. Nella progettazione si simulano i circuiti e si svolgono test Monte Carlo. Ciò significa che cambiamo casualmente i valori di resistenza entro i limiti di tolleranza per esplorare i loro effetti sul segnale di uscita. La simulazione determina una famiglia di curve che mostrano gli errori peggiori causati dalle tolleranze di resistenza. Con questa conoscenza, il progettista decide di regolare l'offset e il guadagno durante il test finale per soddisfare le specifiche del sistema. La calibrazione è completa, ma abbiamo mascherato il problema o ne abbiamo aggiunto uno sconosciuto più grande? Un modo migliore è quello di automatizzare un simile compito. I dispositivi di taratura elettricamente regolabili consentono un test rapido e automatico che migliora la ripetibilità, riduce i costi e aumenta la sicurezza rimuovendo il fattore di errore umano.
Calibrazione per qualità e affidabilità
La calibrazione consente al progettista di creare solidi prodotti affidabili e convenienti. Accurate regolazioni automatiche con convertitori digitali-analogici (CDAC) e potenziometri digitali di calibrazione (CDPots) permettono di ridurre facilmente le tolleranze dei componenti. CDAC e CDPots condividono alcuni attributi unici che consentono la calibrazione automatica all'accensione, partendo da una condizione nota. La Figura 1 confronta un DAC con un CDAC e un CDPot. I DAC ordinari consentono una singola tensione di riferimento (VREF) da applicare; questa tensione di riferimento diventa solitamente la massima impostazione del DAC. Per approfondimenti sui DACs vi consiglio il seguente articolo dal titolo "Corso di microprogrammazione: i convertitori ADC e DAC". L'impostazione più bassa è una tensione fissa, tipicamente massa. Il CDAC e il CDPot consentono di impostare sia la tensione DAC superiore che quella inferiore, rimuovendo così l'intervallo di regolazione in eccesso. La rimozione della gamma di regolazione non utilizzata elimina ogni possibilità che il circuito possa essere gravemente disabilitato. Le tensioni elevate e basse per il CDAC e il CDPot sono arbitrarie e, pertanto, possono essere definite ovunque sia richiesta la calibrazione del circuito.
Figura 1: confrontare un DAC con un CDAC e CDPot
I dispositivi di set-up digitali offrono diversi vantaggi rispetto a quelli meccanici impiegati nei vari sistemi industriali. Il vantaggio più grande è il costo. Inoltre, è possibile utilizzare un CDPot programmabile one time (OTP) per una maggiore sicurezza. Si blocca permanentemente nell'impostazione di calibrazione, impedendo ad un operatore di effettuare ulteriori regolazioni (Figura 2). Per modificare il valore di calibrazione, è necessario sostituire fisicamente l'OTP CDPot. Una variante speciale del OTP CDPot restituisce sempre il suo valore memorizzato al reset di accensione, consentendo agli operatori di effettuare a propria discrezione regolazioni limitate durante il funzionamento.
Figura 2: Un filtro regolabile con guadagno consente di fissare l'impostazione di calibrazione tramite OTP
L'ambiente RF
Le attività di calibrazione a radiofrequenza vengono spesso eseguite in laboratori separati all'interno di un impianto di calibrazione, con la taratura a microonde che si svolge invece in un'altra area Due parametri chiave sono la potenza RF e una misura di matching. La qualità della corrispondenza con l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione è tipicamente espressa in termini di alcune grandezze di misura come il rapporto di onde di tensione (VSWR), il coefficiente di riflessione e i parametri S. Per approfondimenti sull'ambiente RF vi consiglio il seguente articolo dal titolo "L’analizzatore di reti vettoriale VNA nel design RF".
Gli errori di non corrispondenza rappresentano un importante contributo all'incertezza di misura nella calibrazione RF. Queste derivano dagli stadi di uscita e di ingresso dell'apparecchiatura e dai cavi e connettori utilizzati per collegare l'apparecchiatura stessa. Utilizzando connettori e cavi di metrologia di alta qualità e trattandoli con cura sono fondamentali per ridurre al minimo queste fonti di errore e incertezza. Il processo di calibrazione può essere eseguito manualmente o attraverso software di sistema per automatizzare il processo. Le calibrazioni RF e microonde completamente automatizzate sono rare a causa della difficoltà di automatizzare la commutazione del segnale senza compromettere la qualità della misura.
Conclusioni
La calibrazione aiuta a ridurre l'accumulo di tolleranza dei componenti nel sistema pur mantenendo il costo accessibile.
Quanto è importante la calibrazione?
La calibrazione è la verifica dell'esattezza di uno strumento di misura confrontandola con gli standard di riferimento. Il risultato della calibrazione è senza dubbio una maggiore precisione a parità di costi. La taratura dei vari strumenti di misura ha due obiettivi: controlla l'accuratezza dello strumento e determina la tracciabilità della misura. Un interessante approfondimento sul testing dei sensori e trasduttori lo trovate al seguente articolo dal titolo "Il testing dei trasduttori con gli oscilloscopi digitali".
In quasi tutte le mie realizzazioni “analogiche” ho sempre preferito implementare la calibrazione. Ad esempio, nei miei primi amplificatori audio a transistor prevedevo un trimmer per polarizzare correttamente e manualmente il transistor. Ovviamente occorreva usare un tester per controllare se la calibrazione avveniva correttamente.
La calibrazione non è solo importantissima, ma fondamentale, si potrebbe dire obbligatoria. Uno strumento da laboratorio dovrebbe sempre indicare la data dell’ultima calibrazione effettuata. Quando si lavora con segnali di piccola ampiezza o di elevata frequenza è necessario che la misura sia rigorosa e rientri nella precisione/errore dello strumento.
Il mio prof di Misure Elettriche sarebbe contento di questo articolo! 😀 Per rimanere in tema sarebbe anche molto utile un approfondimento sulle classi di precisione degli strumenti, e cosa la normativa prevede affinchè uno strumento sia dichiarato “strumento di misurazione”
Grazie Davide per la segnalazione, ne terremo conto per il prossimo planning 😉