Υστέρηση (Hysteresis)

Γιατί η ένδειξη ενός οργάνου αλλάζει ανάλογα με τη φορά της κίνησης.

Υστέρηση είναι η διαφορά στην ένδειξη ενός οργάνου για την ίδια πραγματική τιμή, ανάλογα με τη διεύθυνση της κίνησης. Δηλαδή αν πλησιάζεις την τιμή καθώς το μέγεθος αυξάνεται ή καθώς μειώνεται. Ένα ιδανικό όργανο θα έδινε την ίδια ένδειξη και στις δύο περιπτώσεις· στην πράξη η ένδειξη επηρεάζεται από τη φορά με την οποία κινήθηκε το όργανο πριν φτάσει στη μέτρηση. Όταν η ένδειξη είναι ανεξάρτητη από τη φορά της κίνησης, το σύστημα λέγεται ελεύθερο υστέρησης.

Ο βρόχος υστέρησης

Αν βαθμονομήσεις ένα όργανο ανεβαίνοντας σε όλο το εύρος και μετά κατεβαίνοντας, οι δύο καμπύλες δεν συμπίπτουν, σχηματίζουν έναν χαρακτηριστικό βρόχο υστέρησης (hysteresis loop). Το άνοιγμα του βρόχου δείχνει πόσο μεγάλη είναι η υστέρηση. Κλασικό παράδειγμα είναι το μανόμετρο, όπου η ένδειξη ανεβαίνοντας και κατεβαίνοντας διαφέρει.

Σχ. 1. Βρόχος υστέρησης σε μανόμετρο: οι καμπύλες αυξανόμενης και μειούμενης πίεσης δεν συμπίπτουν· το άνοιγμα είναι η ζώνη υστέρησης.

Από πού προέρχεται

Οι συνηθισμένες αιτίες είναι μηχανικές: τριβή σε έδρανα, τζόγος και χαλαρότητα (slack/backlash) σε ρουλεμάν και γρανάζια, αποθήκευση ελαστικής ενέργειας (strain energy) στα υλικά, και ιξώδης απόσβεση σε κινούμενα μέρη. Κάποια υστέρηση είναι φυσιολογική για κάθε σύστημα, δεν εξαλείφεται εντελώς.

Πώς μετριέται και δηλώνεται

Εντοπίζεται με μια «διαδοχική δοκιμή» (sequential test): μετράς το ίδιο σημείο μία φορά ανεβαίνοντας και μία κατεβαίνοντας και συγκρίνεις. Το σφάλμα υστέρησης σε ένα σημείο είναι η διαφορά ένδειξης ανιόντος μείον κατιόντος, και συνήθως δηλώνεται ως το μέγιστο σφάλμα υστέρησης, εκφρασμένο ως ποσοστό του full-scale (πλήρους κλίμακας). Έτσι το βρίσκεις τυποποιημένα στα datasheet.

Πώς το διαβάζεις στο datasheet

Το σφάλμα υστέρησης σε ένα σημείο είναι ένδειξη ανιόντος − ένδειξη κατιόντος, και δηλώνεται ως το μέγιστο σφάλμα σε όλο το εύρος, εκφρασμένο ως ποσοστό του full-scale.

Σχέση με άλλες έννοιες

Η υστέρηση επηρεάζει άμεσα την επαναληψιμότητα: αν προσεγγίζεις το ίδιο σημείο άλλοτε από πάνω κι άλλοτε από κάτω, οι μετρήσεις σου θα σκορπίζουν. Συνδέεται επίσης με τη νεκρή ζώνη/τζόγο (dead band/backlash), που είναι μια από τις βασικές μηχανικές της αιτίες. Μια «τυχαία δοκιμή» (random test), όπου δίνεις τις τιμές εισόδου σε τυχαία σειρά, «σπάει» την επίδραση της υστέρησης και τη μετατρέπει από συστηματικό σε τυχαίο σφάλμα.

Στην πράξη

Για να τη μειώσεις:

Προσέγγιζε πάντα το σημείο μέτρησης από την ίδια κατεύθυνση, π.χ. πάντα ανεβαίνοντας.

Αν το άνοιγμα του βρόχου είναι μεγάλο, χρησιμοποίησε τον μέσο όρο ανιόντος και κατιόντος μέτρησης.

Φρόντισε τη συντήρηση (λίπανση, εξάλειψη τζόγου, καλή έδραση) που περιορίζει τριβές και χαλαρότητες.

Σύνοψη

Η υστέρηση είναι η διαφορά στην ένδειξη ενός οργάνου για την ίδια πραγματική τιμή ανάλογα με τη φορά της κίνησης, ανεβαίνοντας ή κατεβαίνοντας, και εμφανίζεται ως ο βρόχος υστέρησης. Οφείλεται κυρίως σε μηχανικές αιτίες, τριβή, τζόγο, αποθήκευση ελαστικής ενέργειας και ιξώδη απόσβεση, και δηλώνεται ως ποσοστό του full-scale. Επηρεάζει άμεσα την επαναληψιμότητα, οπότε η σταθερή κατεύθυνση προσέγγισης, ο μέσος όρος ανιόντος και κατιόντος και η καλή συντήρηση είναι τα πρακτικά βήματα που την περιορίζουν.