Метрологические характеристики измерительных преобразователей
Ко всей измерительной цепи и к каждому преобразователю в отдельности предъявляются определенные требования: точность измерения или преобразования, заданная зависимость выходного сигнала от входного, чувствительность преобразователей, мощность выходного сигнала и др. Для соответствия этим требованиям каждый измерительный преобразователь и вся измерительная цепь должны обладать заданными метрологическими характеристиками.
Погрешности измерительных преобразователей. Любой технологический параметр невозможно измерить абсолютно точно. Это объясняется несовершенством измерительных преобразователей, воздействием на процесс измерения различных внешних возмущений и другими факторами. Поэтому всякое измерение производится с погрешностью, под которой понимают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемого параметра.
Погрешность измерения—основная метрологическая характеристика измерительных преобразователей и измерительной цепи.
Различают случайные, грубые и систематические погрешности.
Случайные погрешности изменяются случайным образом при многократных измерениях одного и того же параметра. Они принципиально не могут быть устранены или учтены при измерениях.
Грубые погрешности возникают вследствие неправильной организации процесса измерения (например, из-за неправильной эксплуатации измерительных преобразователей, неправильного отсчета показаний, выхода из строя какого-либо элемента измерительной цепи и т. п.). Такие погрешности могут быть обнаружены и устранены.
Кроме того, бывают погрешности, которые закономерно изменяются или остаются постоянными при многократных измерениях одного и того же параметра. Это систематические погрешности. Они вызваны недостатками методов измерений и конструкций измерительных преобразователей. Систематические погрешности могут быть вычислены и, следовательно, учтены в результатах измерений.
Для получения достоверной количественной информации о параметрах химико-технологических процессов необходимо выбрать соответствующие метод измерения и средство измерений. Выбор метода измерения и типа первичного измерительного преобразователя определяется конкретными условиями измерения (измеряемой средой, ее параметрами, местом измерения, особенностями технологического процесса и т.д.) и требованиями, предъявляемыми к точности измерения и к функциям, выполняемым средствами измерений (например, передача показаний на расстояние, передача сигнала измерительной информации на вход компьютера или контроллера). Важное значение для выбора средств измерений имеет их сопряжение с другими элементами системы управления.
Для обмена информацией между элементами системы управления часто применяются унифицированный сигнал постоянного тока от 0 мА до 5 мА или 4 мА до20 мА и унифицированный пневматический сигнал от 0,02 МПА до 0.1 МПа.
Рис.7 Диапазоны выходных сигналов
Погрешность измерения технологического параметра можно условно разбить на следующие составляющие: погрешность восприятия первичным измерительным преобразователем измеряемого параметра, погрешность передачи сигнала (информации), погрешности средств измерений.
По способу выражения погрешности подразделяют на абсолютную, относительную и приведенную. Абсолютная погрешность измерительного прибора — разность между показаниями измерительного прибора А и истинным значением измеряемой физической величины Аи :
Если истинное значение измеряемой величины неизвестно, вместо него используют действительное значение измеряемой величины. Под действительным значением физической величины понимают её значение, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него А. В этом случае абсолютная погрешность измерительного прибора определяется выражением:
Абсолютная погрешность измерительного прибора выражается в единицах измеряемой физической величины и имеет знак.
Относительная погрешность измерительного прибора выражается отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеренной физической величины или, если оно неизвестно, к действительному значению измеренной физической величины:
Приведённая погрешность измерительного прибора — отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению 
римечание. Нормирующим значением называют условно принятое значение, постоянное во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Для измерительных приборов, нижний предел измерения которых выше нуля, нормирующее значение принимается равным верхнему пределу измерения ; если же нижний предел измерения равен нулю, или ниже нуля, то нормирующее значение принимается равным диапазону измерений.
Приведённую погрешность обычно выражают в процентах.
В зависимости от условий, в которых проводились измерения, различают основную и дополнительную погрешности средства измерений.
Основная погрешность средства измерений — погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.
В процессе измерения возможны отклонения условии измерения и параметров окружающей среды от нормальных условий и тогда возникают дополнительные погрешности средства измерений за счет влияющих величин.
Дополнительная погрешность средства измерений — составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от ее нормального значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значении.
В зависимости от характера изменения измеряемой величины во времени в процессе измерения различают статические и динамические погрешности средства измерений.
Статическая погрешность средства измерении — погрешность средства измерении, применяемого при измерении физической величины, принимаемое за неизменную.
Динамическая погрешность средства измерений возникает при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины и обусловлена запаздыванием изменений показании.
Наиболее значительными бывают динамические погрешности восприятия измеряемого параметра первичным измерительным преобразователем, определяемые не только конструкцией измерительного преобразователя, но также условиями измерения и особенностями их установки, подключения и т.д. Например, при измерении температуры одним из основных факторов являются условия теплообмена между первичным измерительным преобразователем и измеряемой средой, а условия теплообмена, в свою очередь, зависят от рода измеряемой среды (газ, жидкость, пар), ее параметров (температуры, давления, скорости движения), расположения первичного измерительного преобразователя) по отношению к потоку.
Систематическая погрешность — погрешность, величина которой остается постоянной от измерения к измерению и которая может быть обнаружена с помощью поверки или калибровки и затем скомпенсирована. Примером является погрешность нелинейности термопары, которая компенсируются с помощью таблиц поправок в контроллере измерительного модуля.
Систематические погрешности обычно изменяются с течением времени (дрейфуют), что делает необходимым периодическую калибровку измерительных приборов. Эти изменения вызваны процессами старения и износа элементов измерительных устройств.
Класс точности — обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средства измерений, влияющими на их точность.
Класс точности многих измерительных приборов обозначают числами, совпадающими со значением допускаемой основной приведенной погрешности.
где КТ — число, обозначающее класс точности; 
— максимальная допускаемая основная абсолютная погрешность.
Примечание. Класс точности средств измерении конкретного типа устанавливают в стандартах, технических требованиях (условиях) или других нормативных документах.
Чувствительность средств измерений (измерительного прибора) S— отношение изменения сигнала на выходе средства измерений , к вызвавшему его изменению измеряемой величины.
Пример. Определить пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерительного прибора класса точности 0.5 с диапазоном измерений от 25 мВ до 50 мВ.
Решение. Число, обозначающее класс точности средства измерений, совпадает с максимальной допустимой основной приведенной погрешностью показаний, откуда следует
Нормирующее значение для измерительного прибора с заданными пределами измерения принимается равным диапазону измерений .
Следовательно, пределы основной абсолютной погрешности измерений определяем по формуле
Любой измерительный преобразователь подвержен влиянию внешней среды. Она искажает выходной сигнал. Это может быть температура, давление и влажность окружающей среды, напряжение источника питания, вибрация и т.д.
Поэтому для каждого измерительного прибора регламентируются нормальные условия эксплуатации. Погрешность при его эксплуатации при нормальных условиях – основная, возникающие при отклонении от нормальных условий – дополнительная погрешность.
Все это ведёт к затруднению сравнения различных измерительных преобразователей по точности.
Поэтому класс точности – это допустимая приведенная погрешность (в %) при нормальных условиях эксплуатации.
Классы точности: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
Чувствительность – характеризует способность измерительного преобразователя изменять малые сигналы. Чем меньше сигналы может измерять, тем чувствительнее прибор. Милливольтметр (мB) может измерять тысячные доли Вольта, обычный вольтметр — нет.
Но! Чем чувствительнее прибор, тем больше погрешность, при уменьшении диапазона не удается снизить абсолютную погрешность.
Поэтому для каждой конкретной конструкции существует порог чувствительности – минимально возможный диапазон измерений, при котором абсолютная погрешность равна этому диапазону и приведенная погрешность 100%. Порог чувствительности ограничивает измерение малых сигналов.
Аналоговый вход (измерение) называется переменной процесса «PV». Она длжна точно отражать с высокой точностью параметр процесса, которым стараются управлять.
Пример. Нужно установить температуру + или – 1 градус , тогда мы типично стремимся по меньшей мере к 1/10 градуса). Если аналоговый вход 12-бит, и температурный диапазон для датчика от 0 до 400 0 С, то наша «теоретическая» точность д. б. рассчитана
Теоретическая, т.к. предполагается, что нет шума и ошибки в выбранном датчике, соединениях, аналоговом преобразователе.
Рис. 8 Характеристика температурного датчика типа KTY 10.
Этот датчик преобразовывает температуру транзистора в аналоговое напряжение. Для измерения температурный датчик должен быть сначала калиброван. Для этого используются точки 250 o и 1000 o на панели калибровки υ. При помощи этих точек можно приблизительно определить характеристику датчика U/ υ. Но примите во внимание, что точная калибровка датчика — только использование калиброванного термометра.
Дата добавления: 2015-08-11 ; просмотров: 3096 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Погрешности измерения датчиков КИП. Классы точности
Основной качественной характеристикой любого датчика КИП является погрешность измерения контролируемого параметра. Погрешность измерения прибора это величина расхождения между тем, что показал (измерил) датчик КИП и тем, что есть на самом деле. Погрешность измерения для каждого конкретного типа датчика указывается в сопроводительной документации (паспорт, инструкция по эксплуатации, методика поверки), которая поставляется вместе с данным датчиком.
По форме представления погрешности делятся на абсолютную, относительную и приведенную погрешности.
 | ООП | основная относительная погрешность |
 | ОПП | основная приведенная погрешность |
 | ОАП | основная абсолютная погрешность |
Абсолютная погрешность – это разница между измеренной датчиком величиной Хизм и действительным значением Хд этой величины.
Действительное значение Хд измеряемой величины это найденное экспериментально значение измеряемой величины максимально близкое к ее истинному значению. Говоря простым языком действительное значение Хд это значение, измеренное эталонным прибором, или сгенерированное калибратором или задатчиком высокого класса точности. Абсолютная погрешность выражается в тех же единицах измерения, что и измеряемая величина (например, в м3/ч, мА, МПа и т.п.). Так как измеренная величина может оказаться как больше, так и меньше ее действительного значения, то погрешность измерения может быть как со знаком плюс (показания прибора завышены), так и со знаком минус (прибор занижает).
Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения Δ к действительному значению Хд измеряемой величины.
Относительная погрешность выражается в процентах, либо является безразмерной величиной, а также может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Приведенная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения Δ к нормирующему значению Хn, постоянному во всем диапазоне измерения или его части.
Нормирующее значение Хn зависит от типа шкалы датчика КИП:
- Если шкала датчика односторонняя и нижний предел измерения равен нулю (например, шкала датчика от 0 до 150 м3/ч), то Хn принимается равным верхнему пределу измерения (в нашем случае Хn = 150 м3/ч).
- Если шкала датчика односторонняя, но нижний предел измерения не равен нулю (например, шкала датчика от 30 до 150 м3/ч), то Хn принимается равным разности верхнего и нижнего пределов измерения (в нашем случае Хn = 150-30 = 120 м3/ч).
- Если шкала датчика двухсторонняя (например, от -50 до +150 ˚С), то Хn равно ширине диапазона измерения датчика (в нашем случае Хn = 50+150 = 200 ˚С).
Приведенная погрешность выражается в процентах, либо является безразмерной величиной, а также может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Довольно часто в описании на тот или иной датчик указывается не только диапазон измерения, например, от 0 до 50 мг/м3, но и диапазон показаний, например, от 0 до 100 мг/м3. Приведенная погрешность в этом случае нормируется к концу диапазона измерения, то есть к 50 мг/м3, а в диапазоне показаний от 50 до 100 мг/м3 погрешность измерения датчика не определена вовсе – фактически датчик может показать все что угодно и иметь любую погрешность измерения. Диапазон измерения датчика может быть разбит на несколько измерительных поддиапазонов, для каждого из которых может быть определена своя погрешность как по величине, так и по форме представления. При этом при поверке таких датчиков для каждого поддиапазона могут применяться свои образцовые средства измерения, перечень которых указан в методике поверки на данный прибор.
У некоторых приборов в паспортах вместо погрешности измерения указывают класс точности. К таким приборам относятся механические манометры, показывающие биметаллические термометры, термостаты, указатели расхода, стрелочные амперметры и вольтметры для щитового монтажа и т.п. Класс точности – это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность осуществляемых с их помощью измерений. При этом класс точности не является непосредственной характеристикой точности измерений, выполняемых этим прибором, он лишь указывает на возможную инструментальную составляющую погрешности измерения. Класс точности прибора наноситься на его шкалу или корпус по ГОСТ 8.401-80.
При присвоении прибору класса точности он выбирается из ряда 1·10 n ; 1,5·10 n ; (1,6·10 n ); 2·10 n ; 2,5·10 n ; (3·10 n ); 4·10 n ; 5·10 n ; 6·10 n ; (где n =1, 0, -1, -2, и т. д.). Значения классов точности, указанные в скобках, не устанавливают для вновь разрабатываемых средств измерений.
Определение погрешности измерения датчиков выполняют, например, при их периодической поверке и калибровке. С помощью различных задатчиков и калибраторов с высокой точностью генерируют определенные значения той или иной физической величины и сличают показания поверяемого датчика с показаниями образцового средства измерения, на которое подается то же самое значение физической величины. Причем погрешность измерения датчика контролируется как при прямом ходе (увеличение измеряемой физической величины от минимума до максимума шкалы), так и при обратном ходе (уменьшение измеряемой величины от максимума до минимума шкалы). Это связано с тем, что из-за упругих свойств чувствительного элемента датчика (мембрана датчика давления), различной интенсивности протекания химических реакций (электрохимический сенсор), тепловой инерции и т.п. показания датчика будут различны в зависимости от того, как меняется воздействующая на датчик физическая величина: уменьшается или увеличивается.
Довольно часто в соответствии с методикой поверки отсчет показаний датчика при поверке нужно выполнять не по его дисплею или шкале, а по величине выходного сигнала, например, по величине выходного тока токового выхода 4…20 мА.
У поверяемого датчика давления со шкалой измерения от 0 до 250 mbar основная относительная погрешность измерения во всем диапазоне измерений равна 5%. Датчик имеет токовый выход 4…20 мА. На датчик калибратором подано давление 125 mbar, при этом его выходной сигнал равен 12,62 мА. Необходимо определить укладываются ли показания датчика в допустимые пределы.
Во-первых, необходимо вычислить каким должен быть выходной ток датчика Iвых.т при давлении Рт = 125 mbar.
Iвых.т = Iш.вых.мин + ((Iш.вых.макс – Iш.вых.мин)/(Рш.макс – Рш.мин))*Рт
где Iвых.т – выходной ток датчика при заданном давлении 125 mbar, мА.
Iш.вых.мин – минимальный выходной ток датчика, мА. Для датчика с выходом 4…20 мА Iш.вых.мин = 4 мА, для датчика с выходом 0…5 или 0…20 мА Iш.вых.мин = 0.
Iш.вых.макс — максимальный выходной ток датчика, мА. Для датчика с выходом 0…20 или 4…20 мА Iш.вых.макс = 20 мА, для датчика с выходом 0…5 мА Iш.вых.макс = 5 мА.
Рш.макс – максимум шкалы датчика давления, mbar. Рш.макс = 250 mbar.
Рш.мин – минимум шкалы датчика давления, mbar. Рш.мин = 0 mbar.
Рт – поданное с калибратора на датчик давление, mbar. Рт = 125 mbar.
Подставив известные значения получим:
То есть при поданном на датчик давлении равном 125 mbar на его токовом выходе должно быть 12 мА. Считаем, в каких пределах может изменяться расчетное значение выходного тока, учитывая, что основная относительная погрешность измерения равна ± 5%.
То есть при поданном на датчик давлении равном 125 mbar на его токовом выходе выходной сигнал должен быть в пределах от 11,40 до 12,60 мА. По условию задачи мы имеем выходной сигнал 12,62 мА, значит наш датчик не уложился в определенную производителем погрешность измерения и требует настройки.
Основная относительная погрешность измерения нашего датчика равна:
Поверка и калибровка приборов КИП должна выполнятся при нормальных условиях окружающей среды по атмосферному давлению, влажности и температуре и при номинальном напряжении питания датчика, так как более высокие или низкие температура и напряжение питания могут привезти к появлению дополнительной погрешности измерения. Условия проведения поверки указываются в методике поверки. Приборы, погрешность измерения которых не уложилась в установленные методикой поверки рамки либо заново регулируют и настраивают, после чего они повторно проходят поверку, либо, если настройка не принесла результатов, например, из-за старения или чрезмерной деформации сенсора, ремонтируются. Если ремонт невозможен то приборы бракуются и выводятся из эксплуатации.
Если все же приборы удалось отремонтировать то они подвергаются уже не периодической, а первичной поверке с выполнением всех изложенных в методике поверки пунктов для данного вида поверки. В некоторых случаях прибор специально подвергают незначительному ремонту (с отметкой в паспорте) так как по методике поверки выполнить первичную поверку оказывается существенно легче и дешевле чем периодическую, из-за различий в наборе образцовых средств измерения, которые используются при периодической и первичной поверках.
Для закрепления и проверки полученных знаний рекомендую выполнить тестовое задание.
Источник
