Дополнительная температурная погрешность. Погрешности пружинных манометров и датчиков давления Определение погрешности датчиков давления от температуры

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.

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:

1. 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).
2. 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).
3. 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:

Iвых.т = 4 + ((20-4)/(250-0))*125 = 12 мА

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%.

ΔIвых.т =12 ± (12*5%)/100% = (12 ± 0,6) мА

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:

δ = ((12,62 – 12,00)/12,00)*100% = 5,17%

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 () 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 .

Температурная погрешность датчика

Эта погрешность в паспорте датчика не указана, так как у самого датчика она отсутствует. Она может быть исключена изменением схемы включения датчика (заменой питающего датчик стабилизатора напряжения на стабилизатор тока и переходом с трехпроводной линии на четырехпроводную). Но если этого не сделано, то возникающая погрешность, хотя бы приближенно должна быть учтена при расчете результирующей погрешности канала.

Изменения показаний вследствие отклонения условий эксплуатации от нормальных, т.е. дополнительные погрешности, нормируются указанием коэффициентов влияния изменения отдельных влияющих величин на изменение показаний в виде. Хотя фактически эти функции влияния влияющих факторов, как правило, нелинейны, для простоты вычислений их приближенно считают линейными и возникающие дополнительные погрешности определяют как

где - отклонение от нормальных условий.

Максимальное значение температурной погрешности при = 3К:

Для перехода от вычисленного максимального значения этой погрешности, возникающего при предельных отклонениях температуры до 5 или 35 єC, к СКО необходимо знать закон распределения температуры в цехе. Какие-либо данные об этом у нас отсутствуют. Примем совершенно эвристическое предположение, что температура распределена нормально и 8 дней в году достигает критических значений, а остальные 365 - 8 = 357 дней, т.е. 357/365 = 0,98 случаев, не выходит за пределы. По таблице нормального распределения находим, что вероятности Р=0,98 соответствуют границы в ± 2,3у. Отсюда:

Параметры нормального распределения k = 2.066, ч = 0.577, е = 3

Температурная погрешность является мультипликативной, т.е. получаемой путем умножения (погрешность чувствительности). Ширина полосы погрешности возрастает пропорционально росту входной величины х, а при х=0 также равна 0.

Погрешность датчика от колебаний напряжения питания

Эта погрешность является чисто мультипликативной и распределена по тому же закону, что и отклонения напряжения сети от своего номинального значения 220В. Распределение напряжения сети близко к треугольному с принятыми выше пределами ± 15 %. Стабилизатор снимает размах колебаний напряжения в К=25 раз, т.е. на выходе стабилизатора распределение также треугольное, но с размахом 15%/25=0.6%. Максимальное значение этой погрешности: гUД=15%. Среднеквадратическое отклонение для треугольного распределения.

Конструирование и производство датчиков, приборов и систем

УДК 681.586"326:621.3.088.228

О НОРМИРОВАНИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ

В. М. Стучебников

Для тензорезисторных датчиков механических величин, работающих в широком интервале температур, нормирование дополнительной температурной погрешности с помощью линейного температурного коэффициента приводит к значительному искажению резул ьтатов измерения. В стат ье показано, что более правильным является нормирование зоны температурной по грешности в интервале температур, в котором произво дится термокомпенсация датчиков. Это особенно важно для полупроводниковых тензорезисторных датчиков с нелинейной температурной зависимостью выходного сигнала.

Дополнительная температурная погрешность является важной характеристикой датчиков механических величин, определяющей погрешность их измерения. Поэтому она всегда указывается в числе основных параметров этих датчиков. Большинство производителей нормирует дополнительную температурную погрешность с помощью линейного температурного коэффициента, т. е. в процентах от диапазона изменения выходного сигнала датчика на один или десять градусов Цельсия (или Фаренгейта в англоязычных странах). При этом, как правило, предполагается, что знак температурной погрешности может быть любым, так что обычно она указывается как ± у %/°С (или ±у %/10 °С). Так рекомендуют нормировать температурную погрешность и нормативные документы МЭК (например, ), а вслед за ними российские стандарты (например, ).

В настоящей статье рассмотрены недостатки такого метода нормирования дополнительной температурной погрешности датчиков механических величин, особенно явно проявляющиеся в тензорезисторных полупроводниковых датчиках, которые сегодня составляют большинство используемых датчиков давления, силы, параметров движения и т.д. В конкретных примерах используются тензорезисторные датчики давления на основе гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире" (КНС) , широко распространенные в России.

Совершенно очевидно, во-первых, что указанное нормирование имеет смысл только при линейной зависимости выходного сигнала датчика от температуры. Однако линейная аппроксимация температурной зависимости выходного сигнала тензорезисторного датчика с приемлемой степенью точности может быть использована лишь для датчиков с металлическими тензоре-зисторами и/или в сравнительно небольшом интервале температур. Поскольку для полупроводников характерна сильная и нелинейная зависимость параметров от температуры, то и выходной сигнал полупроводниковых тензорезисторных датчиков, как правило, сущест-

венно нелинейно зависит от температуры, что особенно заметно при работе в широком диапазоне температур.

Во-вторых, указанное нормирование фактически дезориентирует потребителя, заставляя его удваивать реальную погрешность измерений. Дело в том, что у конкретных датчиков с линейной температурной зависимостью выходного сигнала наклон этой зависимости имеет вполне определенный знак, так что сигнал может только либо убывать, либо возрастать с температурой. Выражая нормирование температурной погрешности в %/°С с указанием определенной величины и знака, потребитель может реально оценить и учесть погрешность измерения, например, давления, при определенной температуре; однако, если знак не определен, то и неопределенность измерения сильно возрастает.

Сказанное поясняется рис. 1. На рис. 1, а показан случай, когда измеряемое давление (пропорциональное выходному сигналу датчика) линейно падает с ростом температуры. В этом случае при известной температуре "изм потребитель может учесть температурную погрешность и привести измеряемое датчиком давление ризм к фактическому давлению рн, которое нормируется при "нормальной" температуре "н:

Рн = Ризм - У ("изм - "нХ (1)

где у - наклон зависимости р (") (у < 0). Конечно, при этом, как минимум, сохраняется неопределенность фактического давления, определяемая основной погрешностью датчика (полоса, ограниченная штриховыми прямыми на рис. 1, а).

Совершенно по-другому обстоит дело, когда знак температурной погрешности не определен (см. рис. 1, б). В этом случае даже при известной температуре измерения неопределенность измеряемого давления составляет Др = (рн1 - рн2) даже без учета основной погрешности датчика.

Конечно, если температура измерения неизвестна даже приблизительно, и о ней известно лишь, что она

Рис. 1. Температурная погрешность измерения давления при линейной зависимости выходного сигнала датчика от температуры в случае отрицательного (а) и неопределенного (б) знака линейного температурного коэффициента у

лежит в пределах ("макс - "мин) рабочего интервала температур, то результирующая неопределенность измерения давления составляет

"Рм = (Р2 - Р1) = IУI ("макс - "мин) (2)

вне зависимости от того, известен знак коэффициента наклона прямой р(") или нет.

Рассмотрим случай нелинейной температурной зависимости выходного сигнала тензорезисторного преобразователя (ТП). Например, для ТП давления на основе структур КНС, температурный дрейф которых компенсируется схемой с термонезависимыми резисторами, зависимость выходного сигнала от температуры близка к параболической . Аналогичную зависимость имеют кремниевые ТП с диффузионными или имплантированными тензорезисторами. Соответственно, измеряемое датчиком с таким ТП давление (пропорциональное выходному сигналу датчика) также не-

линейно зависит от температуры (рис. 2), если не принимать специальные меры для его дополнительной корректировки в электронной схеме, например, с помощью микропроцессора. В этом случае в соответствии с буквой нормативных документов , если нормировать температурную погрешность линейным коэффициентом, то необходимо указывать максимальное (по абсолютной величине) значение наклона + умакс касательной к параболе (тонкие прямые на рис. 2). В результате нормативную суммарную температурную погрешность в рабочем интервале температур "макс... "мин следует определять по выражению (2):

"Рн = (Р2 - Р1) = 1 Умакс _ ("макс - "мин). (3)

Очевидно, что эта величина намного превосходит фактическую суммарную температурную погрешность (см. рис. 2)

"Рф = (Рн - Рмин). (4)

Отсюда следует, что при нелинейной температурной зависимости выходного сигнала датчика использовать для нормирования дополнительной температурной погрешности измерения линейный температурный коэффициент у бессмысленно, поскольку в пределах рабочего интервала температур он изменяется по величине и по знаку (в том числе проходя через ноль), а по существующим правилам в руководстве по эксплуатации необходимо указывать максимальное (по абсолютной величине) значение У.

Именно по этой причине в датчиках давления МИДА-13П в качестве меры дополнительной температурной погрешности нормируется зона темпеРатуРной погРешности в рабочем интервале температур "Рф, которая и указывается в паспорте датчика. Статистические данные по величине зоны температурной погрешности датчиков МИДА-13П приведены в статье . Надо сказать, что Госстандарт вполне согласен с таким подходом и все нормативные документы датчиков МИДА признаны Госреестром РФ. Использование для нормирования дополнительной температурной по-

Рис. 2. Определение зоны температурной погрешности измерения давления для датчика с нелинейной температурной зависимостью выходного сигнала:

"Рф - фактическая зона температурной по грешности; "Рн - нормативная зона температурной по грешности при нормировании температурной по грешности линейным коэффи циен-том температурной зависимости

ЗепБОГБ & Sysfems № 9.2004

Рис. 3. Типичная температурная зависимость дополнительной температурной погрешности измерения давления датчиком МИДА-13П, термокомпенсированным в 120-тиградусном интервале температур (-40...+80 °С)

"Нормальная" температура "н = (20 ± 5) °С. При термокомпенсации в другом интервале температур такой же ширины (например, 200...320 °С) температурная зависимост ь погрешности имеет аналогичный вид (но в этом случае для приведенного примера "нормальная" температура должна быть Тн = (260 ± 5) °С)

грешности измерений зоны температурной погрешности (наряду с линейным температурным коэффициентом) допускается и некоторыми зарубежными стандартами .

Необходимо сделать еще несколько замечаний. Во-первых, в датчиках с температурной зависимостью выходного сигнала, близкой к параболической, (а именно такова она в датчиках давления МИДА) зона температурной погрешности минимальна, когда "нормальная" температура "н, при которой происходит калибровка датчика и определяется его основная погрешность, находится в середине рабочего интервала температур (в котором проводится температурная компенсация выходного сигнала). В датчиках МИДА-13П это выполняется автоматически (рабочий интервал температур от -40 до +80 °С, нормирование при 20 + 5 °С - см. рис. 3). В высокотемпературных датчиках МИДА-12П, в которых температура измеряемой среды может достигать 350 °С, ситуация несколько сложнее и более подробно будет рассмотрена ниже.

Во-вторых, если в случае линейной температурной зависимости при сокращении рабочего интервала температур суммарная температурная погрешность уменьшается линейно, то при параболической зависимости это уменьшение квадратично - например, при симметричном сокращении рабочего интервала температур вдвое (например, от -40...+80 °С до -10...+50 °С) зона температурной погрешности уменьшается вчетверо. Это позволяет создавать высокоточные датчики давления, работающие в ограниченном интервале температур, без использования сложной электроники. Так, в диапазоне 0...40 °С типичная зона температурной погрешности датчиков давления МИДА-13П с резистив-ной схемой термокомпенсации не превышает 0,2 % (см. рис. 3).

В-третьих, если "нормальная" температура, при которой определяется основная погрешность датчика (обычно это комнатная температура), находится не в центре диапазона термокомпенсации, то игнорирование нелинейности температурной зависимости погреш-

Любой потребитель при выборе датчиков давления ставит цель измерения давления с заявленной в тех документации точностью. Это является одним из критериев выбора датчика . В паспорте на датчик ГОСТы требуют указать допустимые значения основной погрешности измерений (+- от истинного давления). Эти значения по ГОСТ 22520 выбирают из ряда 0,075; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,5%; и т.д. в зависимости от технических возможностей изделия. Показатель основной погрешности нормируется для нормальных (т.е. идеальных) условий измерения. Нормальные условия определены по ГОСТ 12997 . Эти условия указаны также в методике поверки средства измерения. Например по МИ1997 для определения основной погрешности нужно установить следующие условия окр. среды:
- температура 23+-2оС,
- влажность от 30 до 80%,
- атм. давление 84-106,7 кПа,
- питание 36+-0,72В,
- отсутствие внешних магнитных полей и т.д.
Как видите условия для работы датчика при определении основной погрешности практически идеальные. Поэтому каждая поверочная лаборатория должна иметь возможность их регулирования. Например, для регулирования температуры в помещении используют приборы микроклимата (обогреватель, кондиционер и др.). Но какие показания с датчика мы получим в реальных условиях эксплуатации на объекте, например при +80оС или -30оС – это вопрос. Ответ на этот вопрос дает показатель дополнительной погрешности , который тоже нормируется в ТУ и ГОСТах.
Дополнительная погрешность - Отклонение функции преобразования, вызванное одной влияющей величиной (температура, давление, вибрация, радиопомехи, напряжение питания и пр.). Вычисляется как разность (без учета знака) между значением погрешности в рабочих (фактических) условиях измерения, и значением погрешности в нормальных условиях.
Конечно, на выходной сигнал влияют все факторы условий эксплуатации. Но для датчиков (преобразователей) давления наиболее существенным воздействием является отклонение температуры окружающего воздуха. В ГОСТ 22520 дополнительную погрешность нормируют на каждые 10С отклонения от нормальных условий (т.е от 23оС). Допуски по ГОСТ выглядят так:

Если датчик при испытаниях на воздействие температур вложился в эти допуски, то он «соответствует ГОСТ 22520», что в большинстве случаев и пишут в тех документации на датчик.
Давайте проанализируем точность датчика, который соответствует ГОСТ 22520, при воздействии температуры. Например датчик с основной погрешностью 0,5% и диапазоном рабочих температур -30..+80оС при 30оС может ошибаться на 0,5+0,45=0,95%, при 40оС (отклонение 2 дес. оС) 1,4% соответственно и наконец при 80оС мы получаем точность 3,2% - это сумма основной и дополнительной погрешности. Напомню, мы имеем дело с датчиком 0,5%, а при эксплуатации при 80оС получаем точность 3,2% (прибл. в 6 раз хуже), и такой датчик соответствует требованиям ГОСТ 22520.
Результаты выглядят не очень красиво и наверняка не порадуют покупателя датчика с заявленной точностью 0,5%. Поэтому большинство производителей делают термокомпенсацию выходного сигнала и ужесточают в ТУ на конкретный датчик требования к доп. погрешности от воздействия температуры. Например, для датчиков СЕНСОР-М мы в ТУ установили требование менее 0,1% на 10оС.
Цель термокомпенсации – свести доп. погрешность от температуры к нулю. Природу доп. погрешности от температуры и методы термокомпенсации датчиков мы подробно рассмотрим в следующей статье. В этой статье хотелось бы подвести итоги.
Нужно учитывать основную погрешность и дополнительную в зависимости от требуемой точности измерения в пределах температур эксплуатации датчика. Дополнительную погрешность каждого датчика можно найти в паспорте, руководстве по эксплуатации или ТУ на изделие. Если показатель доп. погрешности не установлен в тех. Документации на датчик, то он просто соответствует требованиям ГОСТ, которые мы анализировали выше.
Следует также различать диапазон термокомпенсации и диапазон рабочих температур . В диапазоне термокомпенсации доп. погрешность минимальная, при выходе за пределы диапазона термокомпенсации опять же работают требования