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 ()

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 .

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

Пружинным манометрам свойственны следующие инструмен­тальные погрешности.

1. Погрешности характеристики (шкаловые погрешности), вызываемые неполной взаимной компенса­цией нелинейности характеристик чувствительного элемента и передаточно-множительного механизма, а в датчиках - и электрического преобразователя. Этипогрешности минимизируют путем индивидуальной регулировки механизма в изготовленных образцах приборов и датчиков.

Существуют специальные механизмы, позволяющие свести к нулю погрешности во многих точках характеристики. Примером такого механизма служит механический корректор шкаловых погрешностей, в котором ролик скользит по ку­лачку, выполненному из гибкой ленты; кривизна кулачка может плавно изменяться за счет местного изгиба ленты с помощью регулировочных винтов (рис. 6.15.). Ролик укреплен на рычаге, который при своем повороте сообщает выходной оси дополнительное угловое перемещение того или иного знака. Знак дополнительного перемещения зависит от того, попадает ли ролик на выступ или впадину кулачка.

2. Погрешности, обусловленные влиянием вредных сил, к чис­лу которых относятся, прежде всего, силы трения в передаточно-множительном механизме и электрическом преобразователе, си­лы от неуравновешенности подвижных частей, электромагнитные или электростатические силы от взаимного притяжения или от­талкивания подвижных и неподвижных частей электрического преобразователя. Уменьшение этих погрешностей возможно сле­дующими путями:

а) снижением вредных сил за счет улучшения качества опор, тщательной балансировки механизма и т. п. Повышение точно­сти балансировки позволяет ослабить натяги пружин, выбираю­щих люфты, что в свою очередь способствует уменьшению сил трения;

б) увеличением эффективной площади чувствительного эле­мента;

в) применением дифференциальных электрических преобразо­вателей, у которых в начальном положении силы притяжения взаимно скомпенсированы;

г) применением следящих систем, разгружающих чувстви­тельный элемент от сил трения.

3. Температурные погрешности манометров, вызываемые влиянием температуры окружающей среды на физические пара­метры материалов и геометрические размеры деталей.

Наиболее существенно температура влияет на модуль упруго­сти чувствительного элемента.

Линеаризованная зависимость модуля упругости от темпера­туры имеет вид

н/м 2 ,

где Е о - начальное значение Е (при 6 = 9о) в н/м 2 ;

- температурный коэффициент Е;

Характеристика чувствительного элемента дифференциально­го манометра связана с модулем упругости соотношением

Относительная величина температурной погрешности

Влияние температуры на геометрические размеры чувстви­тельного элемента и передаточно-множительного механизма вы­ражается зависимостью

м,

где - геометрический размер;

Коэффициент линейного расширения.

Это влияние сказывается на показаниях прибора значительно слабее благодаря тому, что температурные коэффициенты линейного расширения металлов на порядок меньше, чем темпера­турные коэффициенты модуля упругости.

Температура влияет также на величину остаточного давления р ост внутри анероидов (чувствительных вакуумированных эле­ментов), применяемых в манометрах абсолютного давления. При изменении температуры на величину возникает погрешность

. Наконец, при изменении температуры может изменяться выходной параметр R, L, М или С электрического пре­образователя.

Уменьшение температурных погрешностей достигается следу­ющими способами:

а) изготовлением чувствительных элементов из сплава типа элинвар, обладающих весьма малым температурным коэффици­ентом модуля упругости;

б) снижением остаточного давления внутри анероидов путем более тщательного вакуумирования их;

в) введением в конструкцию прибора специальных биметал­лических компенсаторов, которые вызывают в зависимости от температуры приращение показания прибора, равное по вели­чине и противоположное по знаку температурной погрешности прибора.

Различают биметаллические компенсаторы 1 и 2-го рода.

Действие компенсаторов 1-го рода (рис. 6.16, а) основано на введении последовательно с упругим чувствительным элементом кинематического звена, выполненного в виде консольно закреп­ленной биметаллической пластины, линейное перемещение сво­бодного конца которой , пропорциональное приращению тем­пературы, складывается с прогибом s упругого чувствительного элемента (или вычитается из него). Расчет величины для би­металлического компенсатора пластинчатого типа (см. рис. 6.19, а) производится по формуле (см. в гл. II):

м,

где - толщина биметаллической пластины в м;

- коэффициенты линейного расширения компонент

биметалла;

Длина пластины в м;

- приращение температуры °С.

Компенсатор 1-го рода компенсирует только аддитивную тем­пературную погрешность.

Действие компенсаторов 2-го рода (см. рис. 6.16,6) основано на введении в кривошип кинематического звена, выполненного в виде биметаллической пластины, перемещение свободного конца которой, пропорциональное приращению температуры, вызывает увеличение или уменьшение плеча кривошипа на величину , которая определяется так же, как и величина As для компенса­тора 1-го рода, по формуле (6.16). Характер влияния компенса­тора 2-го рода на приращение показаний прибора зависит от на­чального угла установки кривошипа (см. рис. 6.16, а). Если этот угол близок к нулю, т. е. если при s = 0 кривошип примерно перпендикулярен шатуну, то приращение плеча кривошипа почти не вызывает начального поворота кривошипа, а лишь из­меняет передаточное отношение механизма. Поэтому при = 0 вводимая компенсатором 2-го рода поправка носит чисто муль­типликативный характер.

г) применением дифференциальных электрических преобразо­вателей, выдающих два переменных параметра z 1 и z 2 и вклю­ченных по схеме делителя напряжений; при работе на высокоомную нагрузку дифференциальный преобразователь не имеет тем­пературной погрешности, так как величина снимаемого напряже­ния от величины параметров z 1 и z 2 не зависит, а определяется соотношением z 1 / z 2 важно обеспечить лишь равенство темпера­турных коэффициентов параметров z 1 и z 2 ,

д) применением электрических компенсаторов, выполненных в виде проволочного или полупроводникового термосопротивлений и включаемых во внешнюю электрическую цепь так, чтобы ском­пенсировать температурные погрешности, вносимые всеми остальными элементами датчика. Варианты таких схем рассмат­риваются в гл. VII.

4. Погрешности от люфтов в опорах, шарнирах и направля­ющих передаточно-множительного механизма. Для устранения погрешностей от люфтов на выходной оси передаточно-множи­тельного механизма устанавливается спиральная пружина (во­лосок), которой дается начальный натяг. Величина натяга вы­бирается из тех соображений, чтобы во всем диапазоне углов поворота выходной оси момент, создаваемый пружиной вокруг своей оси, несколько превышал приведенный момент небаланса, умноженный на максимальную величину вибрационной перегруз­ки или перегрузки от линейных ускорений. Слишком большой натяг пружины нежелателен, так как он приводит к увеличению погрешностей от трения.

5. Погрешности от гистерезиса и упругого последействия. Сни­жение этих погрешностей достигается выбором материалов с хо­рошими упругими свойствами и улучшением режимов их терми­ческой обработки. Наименьшими погрешностями от гистерезиса и упругого последействия обладают чувствительные элементы, изготовленные из сплавов типа 47ХНМ и бериллиевой бронзы.

6. Погрешности от влияния давления окружающей среды. Эти погрешности возникают в манометрах со сдвоенными чувстви­тельными элементами (см. рис. 3.6 и 6.8) в случае неравенства их эффективных площадей. Для уменьшения погрешностей подби­рают чувствительные элементы с возможно более близкими эф­фективными площадями.