Как определить линейную погрешность линейного преобразователя давления? Важно оценить максимальное отклонение фактического выходного сигнала от установленной опорной прямой и выяснить, относительно какого диапазона рассчитывается это отклонение. Правильное понимание процента от полной шкалы позволяет перевести значения из таблицы характеристик в фактическую погрешность измерения давления и использовать их при выборе и поверке прибора.

I. Что означает линейная погрешность

Отклонение фактического выходного сигнала от опорной прямой

В идеальных условиях выходной сигнал линейного преобразователя давления равномерно изменяется с давлением. Например, у преобразователя с диапазоном 0–1 MPa и выходным сигналом 4–20 mA при изменении давления от нижнего до верхнего предела выходной ток также должен изменяться от 4 mA до 20 mA, а промежуточные значения должны соответствовать давлению пропорционально.

Кривая выходного сигнала реального прибора может быть слегка искривлена. Линейная погрешность характеризует максимальное отклонение фактического выходного сигнала от заданной опорной прямой в установленных условиях и диапазоне измерений. Обычно ее выражают в процентах от диапазона выходного сигнала полной шкалы.

При оценке линейной погрешности важно знать, как именно определяется опорная прямая. Разные методы могут давать разные результаты, поэтому при сравнении приборов недостаточно смотреть только на то, у какого из них меньше процентное значение в таблице характеристик.

Прямая по конечным точкам и прямая наилучшего приближения

При методе конечных точек опорную прямую определяют по точкам измерения, соответствующим установленным нижнему и верхнему пределам. При методе наилучшего приближения ее определяют по нескольким точкам измерения. Поскольку опорные прямые различаются, линейная погрешность, рассчитанная по одним и тем же данным измерений, также может различаться.

Конкретный метод определения прямой наилучшего приближения также может зависеть от производителя или стандарта. При запросе цен рекомендуется попросить поставщика указать, используется ли метод конечных точек или метод наилучшего приближения, а также привести применяемый стандарт и способ расчета.

Кроме того, линейная погрешность — это не погрешность показаний в одной точке давления и не максимальная погрешность измерения всего преобразователя при любых условиях окружающей среды и эксплуатации.

II. Как пересчитать процент от полной шкалы

Сначала определите диапазон измерения, затем рассчитайте отклонение

Если линейная погрешность указана в процентах от диапазона измерения, соответствующее отклонение давления можно оценить по формуле: значение давления, соответствующее пределу линейной погрешности = разность верхнего и нижнего пределов давления × процент линейной погрешности.

Например, для диапазона 0–1 MPa с номинальной линейной погрешностью ±0,1%FS, если производитель определяет FS как диапазон измерения, соответствующее отклонение давления составляет ±0,001 MPa, то есть ±1 kPa. Это отклонение рассчитывается относительно установленной опорной прямой и не означает автоматически общую погрешность всего прибора.

Для диапазона, начинающегося не с нуля, следует использовать разность верхнего и нижнего пределов, а не только верхний предел. Например, диапазон -0,1–0,9 MPa также имеет размах 1 MPa; при линейной погрешности ±0,1%FS соответствующее отклонение давления также составит ±1 kPa.

В таблице выше предполагается, что FS во всех случаях означает размах указанного диапазона давления. В реальной документации значения FS, выходной сигнал полной шкалы и установленный диапазон измерения могут различаться, особенно у приборов с регулируемым диапазоном. Поэтому сначала следует уточнить определение производителя.

Как оценить отклонение тока

Для выходного сигнала 4–20 mA диапазон выходного сигнала составляет 16 mA. При линейной погрешности ±0,1% от диапазона выходного сигнала максимальное отклонение тока составляет ±0,016 mA, то есть ±16 μA.

В приведенном выше примере с диапазоном 0–1 MPa при идеальных условиях давлению 0,5 MPa соответствует ток 12 mA. Если отклонение тока в этой точке давления относительно установленной опорной прямой составляет 0,01 mA, оно равно 0,0625% от диапазона выходного сигнала 16 mA.

Однако результат в одной точке не характеризует линейную погрешность во всем диапазоне. Проверку следует проводить в нескольких точках давления согласованным методом и оценивать максимальное абсолютное отклонение. Количество контрольных точек и порядок нагружения должны соответствовать применимым нормативным требованиям или соглашению сторон.

III. Отличие линейной погрешности от других характеристик

Не следует считать отдельный показатель общей точностью

«Линейность», «суммарная точность» и «общая погрешность» в документации на прибор не обязательно обозначают одно и то же. Некоторые производители указывают суммарный показатель, объединяющий нелинейность, гистерезис и повторяемость, другие приводят отдельные значения для каждого параметра.

Смещение нуля сдвигает всю выходную характеристику, а погрешность диапазона изменяет наклон выходной характеристики. Это отличается от степени искривления характеристики относительно опорной прямой. На результаты измерений на месте эксплуатации также могут влиять температура, питание, монтаж и долговременный дрейф.

Поэтому номинальная линейная погрешность прибора ±0,1%FS не означает, что его общая погрешность при высоких или низких температурах либо при длительной эксплуатации также составляет ±0,1%FS. Следует ознакомиться с указанной температурой калибровки, влиянием температуры и другими составляющими погрешности.

При измерении низкого давления особенно важно учитывать отношение погрешности к показанию

Предел погрешности в процентах от полной шкалы обычно рассчитывается относительно фиксированного диапазона, а не изменяется пропорционально текущему показанию. Поэтому одно и то же соответствующее давление отклонения составляет большую долю при низком показании.

Например, при диапазоне 0–10 MPa и линейной погрешности ±0,1%FS предел отклонения составляет ±10 kPa. При измеряемом давлении 1 MPa это отклонение эквивалентно 1% показания, а при давлении 0,1 MPa — 10% показания.

Это лишь пример соотношения предела линейной погрешности и показания, а не утверждение, что прибор обязательно будет иметь такое отклонение в этих точках. При выборе диапазона следует учитывать как требования к измерениям при обычном рабочем давлении, так и возможные пиковые давления, перегрузочную способность и запас безопасности.

IV. Как выбирать и проверять прибор с учетом условий эксплуатации

Сначала определите требования, затем проверьте характеристики

Перед выбором прибора следует зафиксировать обычный диапазон давления, возможное максимальное давление, допустимую погрешность, свойства среды и рабочую температуру, а затем определить тип давления, присоединение, питание и выходной сигнал. Не следует делать выводы только по одному номинальному значению точности.

При сравнении двух приборов необходимо убедиться, что их диапазоны измерения, методы расчета линейной погрешности, условия калибровки и состав учитываемых погрешностей сопоставимы. Если для одного прибора отдельно указана линейная погрешность, а для другого — суммарный показатель, включающий гистерезис и повторяемость, нельзя напрямую судить о качестве по величине чисел.

При поверке на месте эксплуатации используйте эталонное оборудование для измерения давления с действующей прослеживаемостью и достаточными измерительными возможностями. При стабильной температуре и питании последовательно повышайте и понижайте давление в контрольных точках, записывайте эталонное давление и выходной сигнал, а затем рассчитывайте отклонения согласованным методом. Неопределенность эталонного оборудования должна соответствовать требованиям применяемой методики поверки.

При измерениях с преобразованием перемещения также следует проверять показатели линейности

В некоторых механических измерительных системах давление, натяжение или другую физическую величину сначала преобразуют в перемещение, а затем выходной сигнал формирует датчик перемещения. В этом случае показатель линейности датчика перемещения характеризует только его работу в заданных условиях и не может напрямую использоваться как линейная погрешность всей системы измерения давления.

Например, отечественный датчик перемещения SI750 — дифференциальный линейный датчик перемещения с тягой, индуктивный датчик с возвратным механизмом может использоваться для измерения относительного перемещения. Согласно документации, его показатель линейности составляет менее 1%, диапазон рабочих температур — -20–120 ℃, доступны различные варианты выходного напряжения или тока.

При использовании такого решения следует также оценить работу системы в целом с учетом зависимости давления от перемещения упругого элемента, погрешности механической передачи и погрешности сбора сигнала. Конкретный диапазон измерения, база расчета показателя линейности и характеристики выходного сигнала должны быть согласованы с поставщиком при выборе оборудования.

V. Как преобразовать характеристики в требования к закупке

Проверьте измерительные возможности с учетом реальных условий эксплуатации

Линейную погрешность линейного преобразователя давления можно оценивать в следующем порядке: определить диапазон измерения, уточнить опорную прямую, пересчитать отклонение давления и проверить другие составляющие погрешности. Это позволяет правильно интерпретировать %FS и не принимать отдельную характеристику за общую точность в условиях эксплуатации.

Компания «Сиань Шэнхунчуан И приборостроения» предоставляет услуги по продаже и техническому обслуживанию преобразователей давления, датчиков перемещения и сопутствующего измерительного и управляющего оборудования. Диапазоны, выходные сигналы и условия применения зависят от конкретной модели и должны определяться по документации на изделие и результатам согласования сторон.

При выборе оборудования можно сообщить техническим специалистам обычное и максимальное давление, свойства среды, рабочую температуру, требуемый выходной сигнал и допустимую погрешность, а также указать, нужен ли отчет о калибровке. Это поможет подобрать подходящий диапазон и проверить характеристики.