Что такое основная погрешность датчика
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Результирующая ( суммарная) погрешность датчика складывается из основной и дополнительной ( см. гл. Основная погрешность прямолинейных датчиков определяется в нормальных условиях: при отсутствии поперечных компонентов поступательного движения и угловых колебаний датчика; в заданных интервалах значений параметров физических полей ( электромагнитного, акустического, поля деформаций объекта в месте установки датчика), температуры, влажности и других факторов. Основная погрешность определяется главным образом погрешностью градуировки ( калибровки) и нелинейностью функции преобразования. Дополнительные погрешности возникают вследствие того, что влияющие величины выходят из областей нормальных значений. Дополнительные погрешности датчиков, порождаемые влияющими величинами, связанными с движением или проявляющимися при движении, называют кинематическими. Кинематические погрешности прямолинейных датчиков обусловлены их чувствительностью к поперечным компонентам поступательного движения и угловым колебаниям. Когда известны влияющие величины и функции влияния ( коэффициенты влияния), кинематические погрешности рассматривают как систематические; в этом случае возможна автоматическая компенсация указанных погрешностей или их учет. В противном случае их считают случайными. В данном разделе рассмотрены причины кинематических погрешностей прямолинейных датчиков и величины, по которым оценивают эти погрешности. Кинематические погрешности угловых датчиков описаны в следующем разделе. [17]
Результирующая ( суммарная) погрешность датчика складывается из основной и дополнительной ( см. гл. Основная погрешность прямолинейных датчиков определяется в нормальных условиях: при отсутствии поперечных компонентов поступательного движения и угловых колебаний датчика; в заданных интервалах значений параметров физических полей ( электромагнитного, акустического, поля деформаций объекта в месте установки датчика), температуры, влажности и других факторов. Основная погрешность определяется главным образом погрешностью градуировки ( калибровки) и нелинейностью функции преобразования. Дополнительные погрешности возникают вследствие того, что влияющие величины выходят из областей нормальных значений. Дополнительные погрешности датчиков, порождаемые влияющими величинами, связанными с движением или проявляющимися при движении, называют кинематическими. Кинематические погрешности прямолинейных датчиков обусловлены их чувствительностью к поперечным компонентам поступательного движения и угловым колебаниям. Когда известны влияющие величины и функции влияния ( коэффициенты влияния), кинематические погрешности рассматривают как систематические; в этом случае возможна автоматическая компенсация указанных погрешностей или их учет. В противном случае их считают случайными. В данном разделе рассмотрены причины кинематических погрешностей прямолинейных датчиков и величины, по которым оценивают эти погрешности. Кинематические погрешности угловых датчиков описаны в следующем разделе. [20]
В каталожных описаниях указывается значение основной погрешности датчика в комплекте со вторичным прибором. [21]
Основные характеристики датчиков
Функционируя по своему прямому назначению, любой датчик может быть подвержен воздействию самых разных физических факторов: температуры, давления, влажности, света, вибрации, радиации и т. д. При этом отчетливо воспринимать и измерять датчик должен лишь одну конкретную величину, которая называется, применительно к датчику, естественной измеряемой величиной. Обозначим ее буквой «А». Выходную же величину датчика обозначим буквой «В».
Тогда функциональная зависимость выходной величины датчика В от естественной измеряемой величины А, в статических условиях, будет называться статической характеристикой данного датчика S. Статическая характеристика датчика может быть выражена в форме таблицы, графика или в аналитическом виде.
Статическая чувствительность датчика
Среди характеристик любого датчика главной является статическая чувствительность датчика S. Она выражается как отношение малого приращения выходной величины В к малому приращению соответствующей естественной измеряемой величины А в статических условиях. Например В/А (вольт на ампер), если имеется ввиду резистивный датчик тока.
Данное выражение схоже с понятием коэффициента усиления для электронных устройств, который в принципе можно было бы назвать коэффициентом чувствительности или градиентом измеряемой величины.
Динамическая чувствительность датчика
Если условия работы датчика не статичны, если при изменениях наблюдается «инерционность», то речь можно вести о динамической чувствительности датчика Sd, которая выражается как отношение скорости изменения выходной величины датчика к скорости изменения соответствующей естественной измеряемой величины (входной величины). Например вольт в секунду / Ом в секунду, если имеется ввиду датчик температуры, выходное сопротивление которого изменяется в зависимости от измеряемой температуры.
Порог чувствительности датчика
Минимальное изменение естественной измеряемой величины, которое способно привести к реальному изменению выходной величины датчика, называют порогом чувствительности датчика. Например, порог чувствительности датчика температуры в 0,5 градуса означает, что меньшее изменение температуры (например на 0,1 градуса) на выходной величине датчика может вовсе никак не отразиться.
Нормальные условия эксплуатации датчика
Все эти параметры, как правило, регламентированы в документации для нормальных условий эксплуатации измерительного прибора. Под нормальными условиями понимают температуру окружающей среды в районе +25°С, атмосферное давление в районе 750 мм.рт.ст., относительную влажность воздуха в районе 65%, а также отсутствие вибраций и существенных электромагнитных полей. Допуски относительно отклонений от нормальных условий эксплуатации также указываются в документации на прибор.
Любой датчик имеет дополнительные погрешности, которые могут быть вызваны изменением внешних условий, их значительным отклонением от нормальных условий. Данные погрешности выражаются в доле (выраженной в процентах) естественной измеряемой величины, отнесенной к изменению внешнего параметра, который не измеряется данным датчиком по его назначению. Например, погрешность 1% на 10°С температуры окружающей среды для датчика деформации или погрешность 1% на 10Э внешнего магнитного поля для датчика температуры.
Сегодня промышленностью выпускаются самые разные датчики: тока, магнитного поля, температуры, давления, влажности, деформации (тензометрические датчики), радиации, фотометрические, перемещения и т. д. Датчики различаются между собой по технологии изготовления: они бывают твердотельными, пленочными, мдп (металл-диэлектрик-полупроводник) и т. д. По выходному электрическому параметру встречаются: резистивные, емкостные, индуктивные датчики и т. д.
И хотя физических параметров, которые могут быть измерены при помощи датчиков, не счесть, в основе всех датчиков так или иначе лежат сенсоры, воспринимающие одно из нескольких физических воздействий: давление или деформацию, магнитное поле, температуру, свет, химическое действие газа и т. п.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Погрешность измерений
Неотъемлемой частью любого измерения является погрешность измерений. С развитием приборостроения и методик измерений человечество стремиться снизить влияние данного явления на конечный результат измерений. Предлагаю более детально разобраться в вопросе, что же это такое погрешность измерений.
Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму погрешностей, каждая из которых имеет свою причину.
По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные
Абсолютная погрешность – это погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Она определяется выражением.
(1.2), где X — результат измерения; Х0 — истинное значение этой величины.
Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, на практике пользуются лишь приближенной оценкой абсолютной погрешности измерения, определяемой выражением
(1.3), где Хд — действительное значение этой измеряемой величины, которое с погрешностью ее определения принимают за истинное значение.
Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины:
(1.4)
По закономерности появления погрешности измерения подразделяются на систематические, прогрессирующие, и случайные .
Систематическая погрешность – это погрешность измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины.
Прогрессирующая погрешность – это непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени.
Систематические и прогрессирующие погрешности средств измерений вызываются:
Систематическая погрешность остается постоянной или закономерно изменяющейся при многократных измерениях одной и той же величины. Особенность систематической погрешности состоит в том, что она может быть полностью устранена введением поправок. Особенностью прогрессирующих погрешностей является то, что они могут быть скорректированы только в данный момент времени. Они требуют непрерывной коррекции.
Случайная погрешность – это погрешность измерения изменяется случайным образом. При повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности можно обнаружить только при многократных измерениях. В отличии от систематических погрешностей случайные нельзя устранить из результатов измерений.
По происхождению различают инструментальные и методические погрешности средств измерений.
Инструментальные погрешности — это погрешности, вызываемые особенностями свойств средств измерений. Они возникают вследствие недостаточно высокого качества элементов средств измерений. К данным погрешностям можно отнести изготовление и сборку элементов средств измерений; погрешности из-за трения в механизме прибора, недостаточной жесткости его элементов и деталей и др. Подчеркнем, что инструментальная погрешность индивидуальна для каждого средства измерений.
Методическая погрешность — это погрешность средства измерения, возникающая из-за несовершенства метода измерения, неточности соотношения, используемого для оценки измеряемой величины.
Погрешности средств измерений.
Абсолютная погрешность меры – это разность между номинальным ее значением и истинным (действительным) значением воспроизводимой ею величины:
(1.5), где Xн – номинальное значение меры; Хд – действительное значение меры
Абсолютная погрешность измерительного прибора – это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины:
(1.6), где Xп – показания прибора; Хд – действительное значение измеряемой величины.
Относительная погрешность меры или измерительного прибора – это отношение абсолютной погрешности меры или измерительного прибора к истинному
(действительному) значению воспроизводимой или измеряемой величины. Относительная погрешность меры или измерительного прибора может быть выражена в ( % ).
(1.7)
Приведенная погрешность измерительного прибора – отношение погрешности измерительного прибора к нормирующему значению. Нормирующие значение XN – это условно принятое значение, равное или верхнему пределу измерений, или диапазону измерений, или длине шкалы. Приведенная погрешность обычно выражается в ( % ).
(1.8)
Основная – это погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях, которые обычно определены в нормативно-технических документах на данное средство измерений.
Дополнительная – это изменение погрешности средства измерений вследствии отклонения влияющих величин от нормальных значений.
Статическая – это погрешность средства измерений, используемого для измерения постоянной величины. Если измеряемая величина является функцией времени, то вследствие инерционности средств измерений возникает составляющая общей погрешности, называется динамической погрешностью средств измерений.
Также существуют систематические и случайные погрешности средств измерений они аналогичны с такими же погрешностями измерений.
Факторы влияющие на погрешность измерений.
Погрешности возникают по разным причинам: это могут быть ошибки экспериментатора или ошибки из-за применения прибора не по назначению и т.д. Существует ряд понятий которые определяют факторы влияющие на погрешность измерений
Вариация показаний прибора – это наибольшая разность показаний полученных при прямом и обратном ходе при одном и том же действительном значении измеряемой величины и неизменных внешних условиях.
Класс точности прибора – это обобщенная характеристика средств измерений (прибора), определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющих на точность, значение которой устанавливаются на отдельные виды средств измерений.
Классы точности прибора устанавливают при выпуске, градуируя его по образцовому прибору в нормальных условиях.
Прецизионность — показывает, как точно или отчетливо можно произвести отсчет. Она определяется, тем насколько близки друг к другу результаты двух идентичных измерений.
Разрешение прибора — это наименьшее изменение измеряемого значения, на которое прибор будет реагировать.
Диапазон прибора — определяется минимальным и максимальным значением входного сигнала, для которого он предназначен.
Полоса пропускания прибора — это разность между минимальной и максимальной частотой, для которых он предназначен.
Чувствительность прибора — определяется, как отношение выходного сигнала или показания прибора к входному сигналу или измеряемой величине.
Шумы — любой сигнал не несущий полезной информации.
Датчики. Погрешность против точности
Отдельные значения параметров датчиков не позволяют объективно судить о работе в реальных условиях. Необходимо учитывать доверительный интервал, т.е. максимальное отклонение измеренной величины.
Точность и прецизионность являются первостепенными характеристиками датчика. Эти два параметра часто путают, хотя они принципиально различны. Точность — качественный признак, характеризующий степень близости результатов измерения к действительному значению. Прецизионность отражает повторяемость или воспроизводимость измерения.
Регламент ISO 3534-1:2006 определяет прецизионность как близость совпадения результатов независимых тестов, проведенных при оговоренных условиях, и связывает это понятие с воспроизводимостью и повторяемостью измерений. Под повторяемостью понимается прецизионность при повторяемых условиях, а под воспроизводимостью — прецизионность при воспроизводимых условиях.
Прецизионность, точность, повторяемость, воспроизводимость, изменчивость и неопределенность являются качественными понятиями, поэтому следует осторожно обходиться с ними. Прецизионность инструмента отражает количество значащих цифр в показании, как разрешение. Точность инструмента характеризует близость показания к реальной величине. Точное измерение не обязательно прецизионное. Часто инструменты прецизионные, но далеко не точные. Разница между этими понятиями наглядно показана на рисунке 1. Видно, что прецизионность измерения может меняться в зависимости от амплитуды сигнала.
Среди производителей датчиков наиболее распространены следующие методы определения характеристик: по измеренным параметрам и по доверительному интервалу. Первый способ предполагает количественное определение параметров датчика без попытки обобщения. Второй метод дает более близкий к реальному результат. Погрешность датчика выражается в виде полосы ошибки, ее также называют доверительным интервалом, в который попадают все точки измерений. Поскольку рабочие характеристики датчика, прописанные в технической документации, могут меняться только в указанном диапазоне, то все показания можно считать достоверными, т.е. полученные данные будут точными внутри указанной полосы ошибок. Отпадает необходимость долгого анализа, в процессе которого могут возникать новые ошибки. Суть данного метода проиллюстрирована рисунком 2.
Однако многие производители указывают параметры погрешности отдельного датчика, если отсутствует какое-либо законодательное давление, заставляющее их указывать общую полосу ошибки. Например, взвешивающее оборудование подпадает под действие законодательной метрологии и проходит тщательный контроль мировых агентств по весу и измерениям. Международная организация законодательной метрологии требует, чтобы нагрузочные ячейки, используемые во взвешивающем оборудовании, предоставляли возможность контроля точности.
Как правило, в доверительный интервал включены такие параметры как нелинейность, гистерезис, неповторяемость, деформация при нагрузке, температурное смещение нуля и отклонение чувствительности. Таким образом, пользователь может быть уверен в том, что прецизионность измерений будет иметь указанный диапазон погрешности, если в нем учтены все интересующие параметры.
Если нет внешнего давления, производители неохотно используют данный метод спецификации параметров датчика, хотя он дает более наглядные характеристики работы датчика в конкретном приложении. Из коммерческих соображений производители имеют склонность представлять свою продукцию в лучшем свете, замалчивая о недостатках.
Широко распространенный метод оценки по параметрам позволяет сравнивать конкурирующие продукты напрямую, анализируя характеристики, указанные в технической документации. В процессе выбора датчика необходимо сравнивать параметры с учетом целевого применения, чтобы выбранный датчик отвечал требованиям конечного приложения.
Как правило, в техническом описании датчика указывается список потенциальных источников погрешности, не все из которых могут проявляться в конкретном приложении. На первый взгляд может показаться трудным разобраться в этом изобилии информации и решить, достаточно ли точен датчик для конкретного приложения.
В идеальном случае математическое соотношение, описывающее связь между измеряемой величиной и выходным сигналом во всем рабочем диапазоне, должно включать все источники погрешности, например, смещение нуля, нелинейность, гистерезис, повторяемость, отклонение параметров из-за изменения температуры, температурный гистерезис и долгосрочную стабильность. Обычно пользователи учитывают только один или два из этих факторов, сравнивая модели только по ним. Наиболее часто указывают нелинейность характеристики — максимальное отклонение выходного сигнала от прямой.
Если производитель приводит полином, описывающий действительное поведение датчика, то точность показаний может увеличиться на порядок. Для большинства датчиков зависимость квадратична, а в первом приближении выходной сигнал линеен. Таким образом, если заменить формулу, которую приводит производитель (y = ax + b) на y = ax 2 + bx + c, точность повысится. Другой пример. Передаточная характеристика многих гравиметрических инерциальных датчиков угла имеет синусоидальный вид. Тем не менее в технической документации по-прежнему указывается линейное соотношение, поскольку при малых углах синус угла можно заменить самим углом.
Если источники ошибки нуля и причины отклонения чувствительности известны, погрешность измерения будет минимальной, поскольку учитываются фактические источники, а не предполагаемые. Часто погрешность указывается в виде доли от полной шкалы. При этом погрешность чувствительности обычно определяется как доля от полученного показания. Для ее уменьшения производится компенсация температурной зависимости. Датчик температуры устанавливается рядом с измерительным датчиком или прямо на нем. Для этой же цели некоторые производители устанавливают датчик температуры на плате.
Важно различать вклад погрешности смещения нуля и погрешности чувствительности. Сдвиг нуля из-за температуры — это абсолютная погрешность, выраженная в процентах от полной шкалы. В большинстве случаев шкала датчика не используется полностью, поэтому в пересчете на долю от показания погрешность может стать очень большой. Например, если используется только четверть шкалы, то ошибка установки нуля становится в 4 раза больше, чем заявлено в документации. То же самое происходит, когда пользователи выбирают датчик с большим, чем требуется, диапазоном работы «на всякий случай».
Эти примеры показывают, что точность и прецизионность можно увеличить за счет математической минимизации предсказуемых ошибок. Погрешность стабильности и несистемные ошибки, которые нельзя предсказать и повторить, представляют собой более сложное препятствие на пути повышения точности.
Непредсказуемые ошибки, такие как долгосрочная стабильность, температурный гистерезис или неповторяемость, нельзя описать математически, чтобы повысить точность или прецизионность, поэтому с ними гораздо сложнее обращаться. В то время как температурный гистерезис и неповторяемость являются величинами, которые могут быть охарактеризованы количественно на стадии производства в контролируемых условиях, долгосрочная стабильность такого свойства не имеет. Она определяется с помощью различных статистических инструментов. Однако итоговое решение придется принимать в каждом случае отдельно с учетом того, насколько критично измерение. Единственным надежным способом избежать постепенного ухудшения характеристик датчика является периодическая плановая перекалибровка. Ниже приведены общие рекомендации по работе с датчиками:
– повторяемость — единственный важный параметр датчика. Без него не имеют смысла ни количество компенсации, ни коррекция результата;
– следует учитывать диапазон изменения температуры окружающей среды, внутри которого работает датчик. Как правило, основной вклад в погрешность, особенно в ошибку установки нуля, вносят именно температурные изменения;
– не следует преувеличивать диапазон работы датчика. Производитель указывает безопасные границы выхода за диапазон, этого достаточно. Если их расширять, то уменьшится величина сигнала, а погрешность из-за ухода нуля окажется еще больше, поскольку она рассчитывается исходя из диапазона измерения;
– не следует путать разрешение с точностью;
– если датчик предназначен для долгосрочной эксплуатации, нельзя забывать о стабильности характеристик во времени. Прогрессирующее ухудшение параметров может иметь катастрофические последствия. Необходимо периодически калибровать датчик. Обычно это делается раз в год, но этот интервал может быть изменен в зависимости от условий работы и возможных последствий от получения неточных данных;
– рассчитывать погрешность датчика следует по его техническим характеристикам. Причем в расчет стоит принимать только те параметры, которые имеют отношение к данному приложению.