4 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 400⁰ С, то наша «теоретическая» точность д. б. рассчитана

Теоретическая, т.к. предполагается, что нет шума и ошибки в выбранном датчике, соединениях, аналоговом преобразователе.

Пример

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.