Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые средства измерений давления и температуры. Учебное пособие
.pdf
71
рений (перестройка шкалы) более чем в 10 раз. За счет этого при
уменьшении ширины диапазона измерений обеспечивается снижение предела допускаемой основной абсолютной погрешности.
У цифровых приборов указывается разрешающая способ-
ность или число разрядов отсчетного устройства. У измерительных преобразователей может указываться число двоичных
разрядов или единица младшего разряда (ЕМР) цифроаналогового преобразователя ЦАП.
Квантование приводит к увеличению погрешности. При q
менее 0,2 предела допускаемой основной погрешности Δo погрешность квантования Δq составляет менее ±0,1Δо. В таких слу-
чаях квантованием при оценке погрешности принято пренебрегать.
У измерительного преобразователя с аналоговым выходным
сигналом, имеющего 10-разрядный ЦАП, число ступеней изменения выходного сигнала N
= 210 – 1 = 1023. Единица младше-
max
го разряда ЦАП примерно равна 0,001 диапазона измерения. При
допускаемой приведенной погрешности γ = 0,5 q ≈ 0,2Δо, кванто-
вание оказывает незначительное влияние на погрешность
измерений. Но при допускаемой приведенной погрешности
γ = 0,25 q ≈ 0,4Δо, квантование необходимо учитывать при оценке
погрешности.
Современные высокоточные измерительные преобразователи
давления и температуры с аналоговыми выходными сигналами
ведущих мировых фирм имеют 16-разрядный ЦАП. В этом случае даже при значениях допускаемой приведенной погрешности
0,025 и 0,01 квантование не оказывает существенного влияния на
точность измерений.
Характеристики основной погрешности. У большинства
средств измерений давления и перепада давления нормируются
предел допускаемой основной приведенной погрешности и предел допускаемой вариации.
За нормирующее значение у средств измерений давления
принимается алгебраическая разность верхнего р
р
пределов измерения, у средств измерений перепада давления
min
верхний предел измерения Δр
max
:
и нижнего
max
72
100γ
minmax
о
рр
р
; (5.2)
100γ
max
о
р
р
100δ
о
р
р
100δ
о
р
р
p
p
00230040δ
max
p
,,
р
, (5.3)
где Δо — предел допускаемой основной абсолютной погрешности.
В Российской Федерации выпускаются преобразователи дав-
ления и перепада давления с пределами основной допускаемой
приведенной погрешности от ±0,075 до ±0,5 %. Наиболее точные
преобразователи, выпускаемые за рубежом, имеют пределы допускаемой основной приведенной погрешности от ±0,025 до
±0,065 %.
При значительном изменении ширины диапазона измерений
значение предела основной приведенной погрешности увеличивается.
У ряда интеллектуальных преобразователей абсолютного
давления, входящих в состав корректоров счетчиков газа, и преобразователей перепада давления, предназначенных для измерения расхода методом переменного перепада давления, нормируется предел основной допускаемой относительной погрешности
; (5.4)
. (5.5)
Например, у преобразователя абсолютного давления, входя-
щего в состав корректора газа SEVG-D (Corus), пределы допускаемой основной относительной погрешности в диапазоне изме-
нения давления p
max
: p
= 10 : 1 δр = ±0,3 %. У преобразователя
min
перепада давления Rosemount 3051S Ultra for Flow пределы допускаемой основной относительной погрешности в диапазоне
изменения перепада давления ∆p
max
: ∆p
= 8 : 1 δ∆р = ±0,04 %.
min
В широком диапазоне измерения перепада давления ∆p
= 200 : 1 пределы допускаемой основной погрешности
max
: ∆p
=
min
вы-
числяются по формуле
%. (5.6)
73
Погрешность измерительных преобразователей нормируется
как по аналоговому, так и по цифровому выходному сигналу. У
преобразователей, выполненных в соответствии с HART протоколом, как правило, нормируется погрешность аналогового выходного сигнала. В некоторых случаях нормируются раздельно
погрешность цифрового выходного сигнала и погрешность цифроаналогового преобразования.
У средств, обеспечивающих регистрацию и хранение результатов измерений во внутренней памяти, нормируется погреш-
ность измерения времени.
Дополнительные погрешности, вызванные изменением
влияющих величин в рабочем диапазоне. К влияющим величинам
относятся: температура, давление и влажность окружающего воздуха, напряжение питания, монтажное положение, вибрация,
внешнее магнитное поле, радиопомехи и др.
Дополнительные погрешности нормируются раздельно для
каждой влияющей величины. У некоторых измерительных преобразователей указывается также общая погрешность в рабочих
условиях с учетом дополнительных погрешностей.
Реальные погрешности измерений в рабочих условиях, особенно в случаях, когда эти условия существенно отличаются от
нормальных, могут быть значительно больше значений основной
погрешности. При перестройке шкалы (уменьшении ширины
диапазона измерений) абсолютные значения допускаемых дополнительных погрешностей снижаются гораздо меньше, чем основная погрешность. Значения дополнительных погрешностей зави-
сят как от верхнего предела измерений Рв, на который настроен
преобразователь, так и от максимального верхнего предела изме-
рений P
в.max
для данного типоразмера преобразователя. Поэтому
часто перестройка шкал не приводит к значительному снижению
погрешностей в реальных условиях эксплуатации.
У средств измерений перепада давления нормируется также
дополнительная погрешность, вызванная изменением статического давления. Эта дополнительная погрешность при больших статических давлениях порядка нескольких МПа также вносит значительный вклад в суммарную погрешность измерений.
Динамические характеристики. Нормируются частные динамические характеристики — такие, как постоянная времени,
74
время задержки (время начала реагирования), время измерения,
частота обновления данных.
Предусматривается также возможность демпфирования из-
менения входного сигнала.
Характеристики метрологической надежности. У ряда со-
временных измерительных преобразователей давления нормируется долговременная стабильность. При этом указывается нестабильность (изменение показаний или выходного сигнала) в процентах от максимального верхнего предела измерений данной
модификации преобразователя.
* * *
Пример оценки погрешности датчика давления в реаль-
ных условиях эксплуатации.
Приведены результаты оценки погрешности (неопределенно-
сти результата измерений, вносимых средством измерений)
в рабочих условиях с уровнем доверия 0,95 преобразователей
давления и перепада давления на примере преобразователей давления Метран 150CG и 150CD с верхними пределами измерений
6,30 кПа (код диапазона 1) и 250 кПа (код диапазона 3). Оценка
проведена на основании нормируемых метрологических характеристик, приведенных в технической документации. Близкие результаты оценки могут быть получены и для других преобразователей давления, в частности, для Rosemount 3051С.
Оценка погрешности проведена для следующих условий.
Верхний предел измерений равен максимальному для данной
модификации преобразователя Рв = P
в.max
и верхний предел из-
мерений равен 0,4 максимального.
Температура окружающего воздуха равна нормальной (γо) и
отличается от нормальной на 10 °С (γ
∆t
) и 20 °С (γ
= 10
∆t
= 20
).
Время эксплуатации равно нулю (непосредственно после по-
верки) и 1 году.
Для преобразователей перепада давления изменение статиче-
ского давления равно нулю и 5,0 МПа.
Оценка проведена при следующих допущениях:
среднеквадратическая погрешность (СКО) равна 0,5 предела
допускаемой погрешности;
75
среднеквадратическое отклонение, вызванное изменением
3
Код
диапазона
∆рв
Время эксплуатации
равно нулю
Время эксплуатации
1 год
γо
γ
∆t = 10
γ
∆t = 20
γо
γ
∆t = 10
γ
∆t = 20
1
∆рв = ∆р
в.max
0,10
0,13
0,21
0,13
0,16
0,22
∆рв = 0,4∆р
в.max
0,10
0,18
0,32
0,24
0,28
0,38
3
∆рв = ∆р
в.max
0,075
0,09
0,13
0,11
0,12
0,15
∆рв = 0,4∆р
в.max
0,075
0,12
0,20
0,23
0,25
0,30
Код
диапазона
∆рв
Время эксплуатации
равно нулю
Время эксплуатации
1 год
γ
∆t = 0
γ
∆t = 10
γ
∆t = 20
γст
γ
∆t = 10
γ
∆t = 20
1
∆рв = ∆р
в.max
0,31
0,32
0,36
0,32
0,33
0,36
∆рв = 0,4∆р
в.max
0,31
0,34
0,43
0,38
0,40
0,48
3
∆рв = ∆р
в.max
0,10
0,12
0,14
0,13
0,14
0,17
∆рв = 0,4∆р
в.max
0,10
0,14
0,22
0,24
0,26
0,31
входного сигнала в течение года, СКО = 1/
от изменения вы-
ходного сигнала за 1 год.
Округление результатов вычислений проведено по правилам
оценки неопределенности измерений до второй значащей цифры.
Примечание. В документации Метран 150CD дополнительная погрешность,
вызванная изменением статического давления, не разделяется на погрешность
«нуля» и погрешность «шкалы». При этом указывается, что эта погрешность
может быть уменьшена путем корректировки «нуля» при реальном статическом
давлении. Поэтому оценка погрешности при статическом давлении 5,0 МПа
проведена с использованием данных преобразователя перепада давлений Rosemount 3051CD, паспортные характеристики которого близки к характеристикам
Метран 150CD.
Данные, приведенные в следующих таблицах, иллюстрируют
тот факт, что погрешность средств измерений давления и перепада давлений в рабочих условиях при эксплуатации может значительно превышать основную погрешность.
150CG и 150CD (статическое давление равно нулю)
150CD (статическое давление равно 5,0 МПа)
5.3. Метрологические характеристики цифровых средств
измерений температуры
Номинальная статическая характеристика преобразования (НСХ). У приборов и измерительных преобразователей для
измерений температуры НСХ представляется обозначением в соответствии с ГОСТ 6651, ГОСТ Р 8.625 или ГОСТ 8.585. Например: 100П, Pt100, 50М, K, L, S.
76
У микропроцессорных программируемых средств измерений
дается перечень НСХ, заложенных в память микропроцессорного
устройства.
Диапазон измерений. Указываются нижний t
t
пределы измерений. У микропроцессорных программируе-
max
и верхний
min
мых средств измерений приводится диапазон измерений для каждой НСХ. В тех случаях, когда предусмотрена возможность изменения диапазона измерений, указываются пределы таких изменений для соответствующей НСХ.
У цифровых приборов указывается разрешающая способ-
ность, или число разрядов отсчетного устройства. У измерительных преобразователей может указываться число двоичных
разрядов или единица младшего разряда ЕМР цифроаналогового преобразователя.
Соотношение разрешающей способности q и предела основ-
ной допускаемой абсолютной погрешности Δo у показывающих
приборов зависит от числа разрядов отсчетного устройства и
диапазона измерений. Например, у прибора, имеющего четырехразрядное отсчетное устройство и предназначенного для измерений температуры в диапазоне 0...1300 °С (q = 1,0 °С), с пределом
допускаемой приведенной погрешности γ = 0,5 допускаемое зна-
чение основной абсолютной погрешности Δ
= 6,5 °С, q = 0,15Δо.
о
Квантование фактически не приводит к увеличению погрешности. Если же предел допускаемой приведенной погрешности
γ = 0,25(Δ
= 3,2 °С), соотношение будет q = 0,3Δо. В этом случае
о
пренебречь квантованием уже нельзя. В то же время у прибора с
4-разрядным отсчетным устройством и пределом допускаемой
приведенной погрешности γ = 0,25 (Δ
= 2,0 °С) и диапазоном из-
о
мерений 0...800 °С соотношение q = 0,05Δо. Квантованием можно
пренебречь. У прибора с такой же допускаемой приведенной по-
грешностью, но с диапазоном измерений 0…100 °С (Δ
= 0,25 °С)
о
q = 0,4Δо. Квантование необходимо учитывать при оценке погрешности.
Характеристики основной погрешности. У большинства
средств измерений температуры нормируется предел основной
приведенной погрешности γt, при этом за нормирующее значе-
ние принимается ширина диапазона измерения:
77
100γ
minmax
о
tt
t
, (5.7)
qtt
t
)(
100
γ
minmaxо
)(
00
),(о tttE
),(0ttE
0
t
где Δо — предел допускаемой основной абсолютной погрешности, °С.
У некоторых средств измерений температуры предел допускаемой основной абсолютной погрешности определяется суммой
нормируемой приведенной погрешности γt и разрешающей способности q.
При таком нормировании пределы основной допускаемой абсолютной погрешности Δо рассчитываются по формуле
. (5.8)
У ряда цифровых приборов и цифровых измерительных преобразователей нормируется предел допускаемой основной абсо-
лютной погрешности Δо непосредственно в °С.
У программируемых цифровых приборов и измерительных
преобразователей, позволяющих изменять диапазоны измерения,
способ нормирования основной погрешности может быть комбинированным. Указываются пределы допускаемых значений приведенной и абсолютной погрешностей. В том случае, если предел
допускаемой абсолютной погрешности, определенный по нормируемой приведенной погрешности, больше указанного значения
абсолютной погрешности, то принимается это большее значение.
У части приборов и измерительных преобразователей температуры, работающих в комплекте с термоэлектрическими преобразователями, раздельно нормируются погрешность преобразования ТЭДС и предел допускаемой абсолютной погрешности
компенсации температуры свободных концов термопреобразователя (погрешность термокомпенсации).
В этом случае предел допускаемой основной абсолютной погрешности Δо рассчитывается по формуле
, (5.9)
где
преобразования ТЭДС, °С;
— предел допускаемой абсолютной погрешности
— предел допускаемой абсолют-
ной погрешности термокомпенсации, °С.
78
При вероятностной оценке погрешности
2
0
2
0
),(
о
tttE
),(0ttE
0
t
. (5.10)
У некоторых приборов, обеспечивающих также преобразова-
ние температуры в унифицированный аналоговый выходной сигнал, нормируются раздельно погрешность показаний и погрешность цифроаналогового преобразования.
Погрешность измерительных преобразователей температуры
может нормироваться как по аналоговому, так и по цифровому
выходному сигналу. При нормировании погрешности по цифровому выходному сигналу отдельно нормируется погрешность
цифроаналогового преобразования.
Рабочие цифровые приборы и измерительные преобразовате-
ли температуры, выпускаемые в Российской Федерации, имеют
следующие пределы допускаемой приведенной погрешности:
предназначенные для работы в комплекте с термопреобразо-
вателями сопротивления — от γ = ±0,1 до γ = ±0,5 %;
предназначенные для работы с термоэлектрическими преоб-
разователями, — в основном γ = ±0,5 %.
За рубежом выпускаются значительно более точные рабочие
средства измерений температуры. Например, у преобразователя
температуры Rosemount 3144P пределы допускаемой основной
абсолютной погрешности цифрового выходного сигнала:
НСХ Pt100 в диапазоне измерений от −200 до 850 °С ∆
НСХ К в диапазоне измерений от −180 до 1372 °С
= ±0,25 °С и погрешность термокомпенсации
= ±0,1 °С,
о
=
= ±0,25 °С.
Пределы допускаемой приведенной погрешности цифроаналогового преобразователя ±0,02 % от ширины диапазона измерений.
У средств, обеспечивающих регистрацию и хранение резуль-
татов измерений во внутренней памяти, нормируется погреш-
ность измерения времени.
Дополнительные погрешности, вызванные изменением
влияющих величин в рабочем диапазоне. К влияющим вели-
чинам относятся температура, давление и влажность окружающего воздуха, напряжение питания и др.
Динамические характеристики. Нормируются частные ди-
намические характеристики — такие, как время измерения, время
79
установления показаний или выходного сигнала, частота обновления данных.
Для защиты от воздействия различного рода помех, возникающих во входных цепях вторичных средств измерений температуры, предусматриваются цифровые фильтры и возможность
демпфирования входного сигнала.
Характеристики метрологической надежности. У ряда современных измерительных преобразователей, выпускаемых за
рубежом, нормируется долговременная стабильность. При этом
указывается изменение показаний в процентах от диапазона измерения или непосредственно в градусах Цельсия за какой-то
длительный промежуток времени.
Параметры электрических цепей связи с термопреобразователем.
У приборов, работающих в комплекте с термоэлектрическими преобразователями (ТП), указывается максимальное допускаемое электрическое сопротивление внешней цепи.
У приборов, работающих в комплекте с термопреобразователями сопротивления (ТС), указываются схема подключения, как
правило, трехпроводная или четырехпроводная и максимальное
допускаемое электрическое сопротивление соединительных проводов, допускается применение двухпроводной схемы. При трехпроводной схеме указывается, что подключение термопреобразователя должно производиться одинаковыми проводами. Различие
сопротивлений соединительных проводов при трехпроводной
схеме вызывает дополнительную погрешность измерения.
* * *
Примеры оценки погрешности вторичных средств измерений температуры в реальных условиях эксплуатации.
Приведены результаты оценки погрешности в рабочих условиях (неопределенности результата измерений, вносимой средством измерения) с уровнем доверяя 0,95 интеллектуального измерительного преобразователя температуры Rosemount 3144Р и
технологического измерителя-регулятора ИРТ 5922М производства НПП «Элемер».
Оценка погрешности проведена для следующих условий.
Номинальная статическая характеристика преобразования
НСХ Pt100. Значения измеряемой температуры t равны 100 и
400 °С.
80
Номинальная статическая характеристика преобразования
3
Измеряемая
температура
Время эксплуатации
равно нулю
Время эксплуатации
2 года
∆о
∆
∆t = 10
∆
∆t = 20
∆о
∆
∆t = 10
∆
∆t = 20
t = 100 °C
0,10 °C
0,10 °C
0,10 °C
0,15
0,15
0,15
t = 400 °C
0,10 °C
0,10 °C
0,10 °C
0,47
0,47
0,47
Измеряемая
температура
Время эксплуатации
равно нулю
Время эксплуатации
1 год
∆о
∆
∆t = 10
∆
∆ =2 0
∆о
∆
∆t = 10
∆
∆t = 20
t = 800 °C
0,35 °C
0,36 °C
0,37 °C
0,99
0,99
0,99
НСХ K. Значение измеряемой температуры t = 800 °С.
Температура окружающего воздуха равна нормальной (∆о) и
отличается от нормальной на 10 °С (∆
∆t
) и 20 °С (∆
= 10
∆t
= 20
).
Для Rosemount 3144Р время эксплуатации равно нулю
(непосредственно после поверки), 2 годам (НСХ Pt100) и 1 году
(НСХ K).
Оценка проведена при следующих допущениях:
среднеквадратическая погрешность (СКО) равна 0,5 предела
допускаемой погрешности;
среднеквадратическое отклонение, вызванное нестабильно-
стью средства измерений, СКО = 1/
от изменения выходного
сигнала за 2 года и 1 год соответственно.
Округление результатов вычислений проведено по правилам
оценки неопределенности измерений до второй значащей цифры.
Rosemount 3144 НСХ Pt100
Rosemount 3144 НСХ K
Как видно из таблиц, влияние отклонения температуры ок-
ружающего воздуха от нормальной в пределах до 20 °С для Rosemount 3144Р пренебрежимо мало. Снижение точности в процессе эксплуатации определяется нестабильностью.
У вторичных средств измерений температуры, выпускаемых
в Российской федерации, долговременная стабильность не нормируется. Поэтому можно оценить погрешность в рабочих условиях только непосредственно после поверки.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]