О нормировании температурной погрешности тензорезисторных полупроводниковых датчиков. Общие методические погрешности датчиков температуры Температурная погрешность для датчиков давления

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.

Механическим и электрическим датчикам температуры, соприкасающимся со средой, температура которой измеряется (сюда не входят пирометры излучения), свойственны следующие методические погрешности.

1. Погрешность из-за потерь от теплоизлучения и теплопроводности. Эта погрешность обусловлена тем, что температура стенок трубопровода отличается от измеряемой температуры газа или жидкости, текущих по этому трубопроводу. В результате наряду с полезным теплообменом между средой и датчиком возникает вредный теплообмен между датчиком и стенками трубопровода вследствие лучеиспускания и теплопроводности (вследствие оттока тепла к месту крепления датчика). Это приводит к тому, что температура датчика отличается от температуры среды и возникает методическая погрешность . Для уменьшения этой погрешности следует увеличивать длину погруженной части и периметр датчика, уменьшать толщину стенок, теплоизолировать внутреннюю поверхность трубопровода, непогруженную часть датчика и место его крепления.

2. Погрешность от неполного торможения газового потока. В термометрах, предназначенных для измерения истинной температуры Т встречного потока воздуха, возникает погрешность, причиной которой является повышение температуры датчика из-за перехода в тепло кинетической энергии потока воздуха при его торможении датчиком.

Температура полного торможения

Температура датчика вследствие неполного торможения потока не достигает температуры Т П, она определяется по формуле

где r – коэффициент торможения, зависящий от формы датчика.

Для некоторых форм датчика коэффициент r имеет следующие значения:

для цилиндра, расположенного поперек потока, r = 0,65;

для цилиндра, расположенного вдоль потока, r =0,87;

для сферы r = 0,75.

Относительная погрешность измерения истинной температуры

Эта погрешность может быть учтена введением поправки; в навигационных вычислительных устройствах эта поправка вводится автоматически.

В термометрах, предназначенных для измерения температуры Т П заторможенных газов, погрешность возникает из-за неполного торможения потока датчиком.

Относительная погрешность измерения температуры торможения

Эту погрешность также можно учесть введением поправки.

3. Динамическая погрешность. Эта погрешность обусловлена тем, что тепло передается от среды к чувствительному элементу с некоторым запаздыванием вследствие конечной скорости передачи тепла, зависящей от материала массы и поверхности термопатрона.

Тепловая инерция термометра в линейном приближении характеризуется его передаточной функцией (3.3):

где S T – чувствительность

Т 1 – постоянная времени ()

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

1. Особенности применения датчиков давления

Области применения датчиков давления (преобразователей давления) довольно широки, но, как правило, в каждом конкретном применении есть своя специфика, которая должна быть учтена в конструкции датчиков.

В целом все применения преобразователей давления можно разделить на две основные группы:

Измерение собственно давления (или разряжения) какой-либо среды в трубопроводе или технологической установке;
Измерение уровня жидкостей в емкостях (танках) посредством измерения давления столба жидкости (гидростатический датчик уровня).

При подборе датчиков давления обоих групп, необходимо уточнять следующие особенности применения:

Требования по гигиене: пищевая и фармацевтическая промышленность предъявляют высокие требования к датчикам давления по санитарности как в месте контакта с продуктом, так и снаружи (как правило, исполнение полностью из нержавеющей стали). В ассортименте ООО «КИП-Сервис» представлены датчики давления KLAY-INSTRUMENTS , которые специально разработаны для применения в молочной, пивоваренной и пищевой промышленности .
Наличие сертификатов: зачастую, для различных применений, помимо обычного сертификата соответствия ГОСТ Р (или декларации соответствия), требуются дополнительные сертификаты. Например, для систем учета необходим сертификат об утверждении типа средств измерения; для применений датчиков давления в пищевой промышленности требуется заключение СЭС, для применений на опасных производствах требуется разрешение Ростехнадзора и т. д.
Требования по взрывозащите: на взрывоопасных производствах (например, нефтегазовая, химическая, спиртовая промышленности) используются датчики давления во взрывобезопасном исполнении. Наибольшее распространение для датчиков получили 2 вида взрывозащиты - искробезопасные цепи Ex ia и взрывонепронициаемая оболочка Ex d, выбор которого обуславливается спецификой применения.
Тип измеряемой среды: если измеряемая среда является вязкой, агрессивной, слаботекучей или обладает какими-либо другими специфичными свойствами (например, наличие частиц грязи), эти особенности также необходимо учесть. Возможно для данного применения необходимо использование мембранных датчиков давления (оборудованных разделительной мембраной), которые обеспечивают защиту чувствительного элемента датчика от воздействия агрессивных сред.
Наличие внешних воздействий: наличие вибрации, электромагнитных полей или других механических или электрических воздействий.

При подборе датчиков давления для применений I-й группы при измерении давления более 1 бар, также нужно учитывать:

Наличие гидроударов в системе: если в системе возможно наличие гидроударов, датчик давления необходимо подобрать с достаточным запасом по перегрузке (пиковому давлению) или принять меры для компенсации гидроударов (глушители, специальные датчики и т. п.) на объекте;
Дополнительное оборудование: как правило, при измерении давления датчики монтируются при помощи 3-ходовых кранов, кроме того, при измерении давления пара датчики давления рекомендуется подключать через специальное устройство - трубку Перкинса , которая обеспечивает уменьшение температуры среды, действующей на датчик давления.

При подборе датчиков давления для применения в качестве гидростатических датчиков уровня, необходимо учитывать тот факт, что значение давления при одной и той же высоте столба жидкости может меняться с изменением плотности измеряемой среды.

2. Диапазон измерений

Диапазон измерений датчика давления - диапазон значений давления, при подаче которого датчик будет осуществлять измерения и линейное преобразование измеренного значения в унифицированный выходной сигнал.

Диапазон измерений определяется нижним и верхним пределами измерений, которые соответствуют минимальному и максимальному значениям измеряемого давления. Примеры диапазонов измерений: 0…1 бар, 0…2,5 МПа, –100…100 КПа.

При подборе датчиков давления необходимо учитывать, что датчики бывают как с фиксированным диапазоном измерений (например, преобразователи давления ПД100), так и с настраиваемым диапазоном измерений (например, датчики давления KLAY-INSTRUMENTS). У датчиков давления с фиксированным диапазоном измерений значения выходного сигнала жестко привязаны к пределам измерений. Например, датчик давления PTE5000 при давлении 0 МПа будет выдавать 4 мА на выходе, а при давлении 0,6 МПа будет выдавать 20 мА, так как он жестко настроен на диапазон 0…0,6 МПа. В свою очередь, датчик давления KLAY 8000-E-S имеет настраиваемый диапазон 0-1…4 бар, это значит, что при давлении 0 бар датчик будет аналогично выдавать 4 мА, а 20 мА датчик выдаст при любом значении из диапазона 1…4 бар, которое настраивается пользователем при помощи специального потенциометра «SPAN».

3. Температура процесса

Температура измеряемой среды - очень важный параметр при выборе датчиков давления. При подборе датчика, необходимо чтобы температура процесса не выходила за пределы допустимого рабочего температурного диапазона.

В пищевой промышленности происходят кратковременные (от 20 до 40 минут) процессы CIP и SIP-мойки (санитарной обработки), при которых температура среды может достигать 145 °C. Для таких применений следует использовать датчики, устойчивые к такому временному воздействию высоких температур, например датчики давления KLAY-INSTRUMENTS в исполнении SAN - 8000-SAN и 2000-SAN .

Показания всех датчиков давления, использующих тензорезистивный принцип преобразования, сильно зависят от температуры измеряемой среды, так как с изменением температуры изменяется и сопротивление резисторов, составляющих измерительную схему сенсора давления.

Для датчиков давления вводится понятие «температурной ошибки», которая представляет собой дополнительную погрешность измерений на каждые 10 °C изменения температуры измеряемой среды относительно базовой температуры (как правило 20 °C). Таким образом, температуру процесса необходимо знать для определения полной погрешности измерений датчика давления.

Для снижения влияния температуры в измерителях давления используют различные схемы температурной компенсации.

По использованию термокомпенсации все датчики давления можно разделить на три группы:

Бюджетные датчики давления, не использующие схемы термокомпенсации;
Датчики среднего ценового диапазона, использующие пассивные схемы термокомпенсации;
Датчики давления высокого уровня, для систем требовательных к точности измерения, которые используют схемы активной температурной компенсации.

Для измерения давления сред постоянной температурой более 100 °C используются специальные высокотемпературные датчики давления, позволяющие измерять давление сред с температурой вплоть до 250 °C. Как правило такие датчики оборудованы радиатором охлаждения и/или имеют специальный конструктив, позволяющий вынести часть датчика с электроникой в зону с допустимой рабочей температурой.

4. Тип соединения датчика с процессом

Тип соединения датчика с процессом - тип механического включения датчика давления в процесс, для осуществления измерений.

Наиболее популярными соединениями для преобразователей давления общепромышленного исполнения являются резьбовые соединения G1/2″ DIN 16288 и M20x1,5 .

При подборе датчика тип соединения необходимо уточнять для обеспечения удобства монтажа в существующую систему без осуществления дополнительных работ (сварка, нарезка другого типа резьбы и т. п.)

Наиболее разнообразными по типам используемых соединений с процессом являются пищевая, целлюлозно-бумажная и химическая промышленности. К примеру, датчики давления KLAY-INSTRUMENTS , которые специально разработаны для этих отраслей, могут быть изготовлены с более чем 50 различными вариантами включения в процесс.

Выбор типа соединения наиболее актуален для пищевой промышленности, т. к. наряду с удобством, соединение в первую очередь должно обеспечивать «санитарность» и отсутствие «мертвых зон» для процесса санитарной обработки. Для датчиков давления, предназначенных для работы в контакте с пищевыми продуктами, существуют специальные сертификаты, подтверждающие их «санитарность» - Европейский сертификат EHEDG (European Hygienic Equipment Design Group) и Американский сертификат 3A Sanitary Standards. В России для датчиков, контактирующих с пищевыми средами, необходимо наличие Санитарно- эпидемиологического заключения. В ассортименте ООО «КИП-Сервис» требованиям данных сертификатов удовлетворяют датчики серий 8000-SAN и 2000-SAN компании KLAY-INSTRUMENTS .

5. Параметры окружающей среды

При подборе преобразователей давления следует учитывать следующие параметры окружающей среды:

Температура окружающей среды;
Влажность окружающей среды;
Наличие агрессивных сред;

Все параметры окружающей среды должны находиться в допустимых пределах для выбираемого датчика давления.

В случае наличия в окружающей среде агрессивных веществ, многие производители датчиков давления (в том числе KLAY-INSTRUMENTS BV) предлагают специальные исполнения, устойчивые к химическим воздействиям.

При работе в условиях повышенной влажности при частых перепадах температуры датчики давления многих производителей сталкиваются с проблемой коррозии сенсора давления. Основная причина коррозии сенсора датчиков давления - образование конденсата.

Датчикам избыточного давления, для измерения относительного давления, необходима связь сенсора с атмосферой. У недорогих датчиков сенсор связан с атмосферой за счет не герметичности корпуса (коннектор IP65); влажный воздух, при такой конструкции, после попадания внутрь датчика конденсируется при понижении температуры, тем самым постепенно вызывая коррозию измерительного элемента.

Для применения в процессах, где обычные датчики давления выходят из строя из-за коррозии сенсора, идеально подходят промышленные датчики давления KLAY-INSTRUMENTS . У преобразователей давления KLAY связь сенсора с атмосферой осуществляется через специальную «дышащую» мембрану из материала Gore-Tex , которая препятствует проникновению влаги внутрь датчика.

Кроме того, контакты сенсора всех датчиков KLAY по умолчанию залиты специальным синтетическим компаундом для дополнительной защиты датчика от коррозии.

6. Тип выходного сигнала датчика давления

Самым распространенным аналоговым выходным сигналом для датчиков давления является унифицированный токовый сигнал 4…20 мА.

Практически всегда 4 мА соответствуют нижнему значению диапазона измерений, а 20 мА - верхнему, но иногда встречается реверсивный сигнал (как правило на вакуумных диапазонах). Также в промышленности встречаются датчики давления с другими типами аналогового выходного сигнала, например: 0…1 В, 0…10 В, 0…20 мА, 0…5 мА, 0…5 В.

В номенклатуре датчиков давления, складируемых ООО «КИП-Сервис» , присутствуют только датчики с выходным сигналом 4…20 мА. Для получения другого типа выходного сигнала из 4…20 мА можно использовать универсальный преобразователь сигналов Seneca Z109 REG2 , который осуществляет взаимное преобразование практически всех типов унифицированных сигналов по току и напряжению, при этом обеспечивая гальваническую развязку.

Интеллектуальные датчики давления, помимо основного сигнала 4…20 мА, могут быть изготовлены в исполнении с поддержкой протокола HART , который может использоваться для настройки или получения информации о состоянии датчика и дополнительной информации.

Помимо аналогового выходного сигнала, интеллектуальные датчики давления также бывают с цифровым выходным сигналом. Это датчики с выходом по протоколу Profibus PA , который использует в своих устройствах компания SIEMENS.

7. Требуемая точность измерений

При расчете погрешности измерений датчиков давления, необходимо учитывать, что помимо основной погрешности существует дополнительная погрешность.

Основная погрешность - значение погрешности датчика давления относительно диапазона измерений, заявленная заводом изготовителем для нормальных условий эксплуатации. Как правило, под нормальными условиями эксплуатации понимают следующие условия:

Температура окружающей и рабочей среды - 20 °C;
Давление рабочей среды - в пределах диапазона измерений датчика;
Нормальное атмосферное давление;
Отстуствие турбулентности потока или других явлений, в месте установки датчика, способных повлиять на показания.

Дополнительная погрешность - значение погрешности, вызванное отклонением условий эксплуатации от нормальных, ввиду особенностей данного конкретного применения. Одной из основных составляющих дополнительной погрешности является температурная погрешность, которая указывается в технической документации к датчикам давления и может быть рассчитана для конкретного значения температуры рабочей среды.

Также дополнительную погрешность может вызывать турбулентность потока измеряемой среды, изменение плотности среды при гидростатическом измерении уровня, динамические нагрузки на оборудование во время перемещения в пространстве (судна, транспорт и т. д.) и другие возможные факторы.

При расчете погрешности измерительной системы в целом нужно также учитывать класс точности измерительного прибора - индикатора.

В качестве примера, рассчитаем полную погрешность измерений для следующей системы:

Дано:

Датчик давления KLAY-Instruments 8000-SAN-F-M(25) установлен на трубопроводе с продуктом;
Максимальное давление продукта - 4 бар, таким образом датчик настроен на диапазон 0…4 бар;
Максимальная температура продукта - 60 °C;
Турбулентность потока и другие факторы на точность не влияют.

Решение:

По паспортным данным, находим, что основная погрешность датчика 8000-SAN-F-(M25) составляет 0,2 %
Температурная погрешность по паспорту равна 0,015 %/°C, таким образом температурная ошибка при 60 °C равна 0,015 %/°C х (60 °C – 20 °C) = 0,6 %
0,2% + 0,6% + 0,25% = 1,05% - полная относительная погрешность;
1,05% х 4 бар = 0,042 бар - абсолютная погрешность измерений данной системы.