压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业的用户得到的数据往往来源于制造商提供的样本信息。这里特别指的是精度信息。因此,专业术语的了解对综合评估特定压力测量仪器时是十分重要的。

关于精度, 无法给予一个标准的定义。因为,不受制于任何的标准。然而,这并不适用于与精度定义相关的术语,包括特性曲线,迟滞,非线性,非重复性和测量误差。下面我们将简要的解释这些术语。

特性曲线

特性曲线显示了输出信号(测量值)和输入信号(压力)的相互依存关系。在理想状态下,特性曲线是一条直线。

非线性

基准线和特性曲线的最大偏差(正或负)被描述为非线性。基准线本身有三种不同方式决定校准,最佳拟合直线(BFSL)和最佳零点调节。每种方式会得出不同结果,欧洲最常用的方式是极值点调整。这里的基准线贯穿了特性曲线的起始点和终点。

测量误差

测量误差或测量偏差,描述的是显示数值和“准确”数值的偏差。这里所谓的“准确”值是理想情况下的,在实际操作中只能通过标准条件下的高精度测量设备取得,诸如在校量过程中的基本标定方法。绝对误差通常使用和测量值相同的单位,而相对误差是相较于正确值,并且单位不是唯一的。

零点和量程误差

在传感器生产过程中,与标准参考设备会存在误差。测量范围起始点和终值的测量偏差被称之为零点和量程误差。量程误差指的是实际输出量程与规定输出量程之差。零点误差是目标基准线的理想零点和实际特性曲线真实输出值之间的差值。

在非承压状态下,用户可以轻易的读取零点误差值,为了消除它,用户必须输入一个补偿作为抵消到评估单元里。量程误差的消除是很难做到的,因为压力测量范围的上限必须要尽可能精准。

迟滞

显示值不仅取决于输入值(这里指压力),也取决于输入值之前的测量值。

如果把升压特征曲线和降压特征曲线做比较,可以观察到输出信号,尽管在相同的压力下,它们本身数值其实是不相同的。这两个特征曲线之间的最大偏差称之为迟滞现象,并以满量程的百分比来表示。

非重复性

即使在相同的条件下测量,压力变送器电子部分也会受到随机条件的影响,这是因为在连续测量的情况下,输出信号在相同的压力下是不同的。在同一方向上连续三次测量的最大偏差被称之为非重复性。用户所认可的可信赖的压力测量仪器是它的最小非重复性。

类似于迟滞现象,非重复性也是不可补偿的。

温度误差

温度的变化直接影响到压力传感器的特性。举个例子,应用在压阻式压力传感器中的半导体电阻,随着温度的增加而降低。 制造商通过平衡热特性来完善他们的产品。温度相关的误差要么通过传感部分直接补偿,或者在电路部分进行。一些设备还集成温度原件来补偿温度相关的误差。总之,误差只能被缩小而不能完全消除。有些制造商通过温度系数表达其他的一些温度误差。

过载压力-过压

超出的特定误差限值在过压范围内,那么压力传感器不会受到永久损害。

爆破压力

爆破压力指的是使压力传感器传导部分发生形变的压力,这会造成机械上的损坏。

长期稳定性

外在因素影响测量仪器。出于此原因,在经过多年的使用后特征曲线也会随之发生变化。长期稳定性(也是长期漂移)是制造商在实验室条件下确定的,并在数据表中以满量程的百分比按照年的单位表示出来。

然而设备的实际操作条件和测试条件有很大的不同。制造商之间的测试流程也是有很大不同的,这样使得数据之间相比较非常困难。一般情况下,建议压力传感器每隔一段时间做次校准必要时进行调整。

精度:曲线的不一致性

正如一开始所提到的, “精度“ 不是一个固定值。它偶尔也会有另外一种叫法,即“曲线的不一致性”。这是根据IEC 770所描述的最大总误差,包括线性偏差和迟滞,以及非重复性。因此,它是在测量范围的上限上偏离理想的特征曲线并以百分比表示。

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总误差和精度的关系

总误差和精度的关系

在购买压力传感器时,精度通常是终端用户考虑的主要因素。涉及到精确度的各种专业术语,我们之前已经解释过了。然而,精度只是总误差的一部分,总误差也会出现在压力变送器的产品资料中。

接下来,我们将会解释产品资料中的总误差的意义,以及在选择压力变送器中它所扮演的角色。首先要说明的是精度并不能直接体现出总误差。它取决于各种因素,例如传感器是在哪种条件下使用。我们可以从Fig1 看出误差的三个方面:可调误差,精度和温度影响。

Figure 1: Origins of total error

正如我们在上面图例中所看到的,可调误差由零点和量程误差组成。

“可调误差”名称起源于零点和量程误差可以很容易的识别和调整。

这些误差是用户不希望出现的。事实上STS 压力传感器在出厂前已针对两者做了校正。

长期稳定性也称之为长期误差或长期漂移,是操作过程中出现零点和量程误差的原因。这意味着这两个可调误差可能会在长时间使用传感器后重新出现甚至“恶化”。通过校准和其后的调整,这种长期漂移可以被重新校正。点击了解更多关于校准信息。

精度

精度也会出现在产品资料的“特征曲线偏差”中,这种缺乏概念清晰度的原因归结于“精度”这个词本身不受任何有法定标准的标准限定。

这个术语包含非线性误差,迟滞(压力)误差和非重复性误差(如Fig2所示)。非重复性描述的是当一个压力传感器被连续几次测量时所产生的偏差。迟滞指的是在测量压力时升压及降压行程期间,相同的压力下输出信号是有差值的。然而,这两个因素在压阻式压力传感器中出现时非常少的。

对于精度和总误差影响最大的归结于非线性。这是在压力增加或是降低的时候与基准线比较得出特征曲线最大的正负偏差。了解更多相关术语。

Figure 2: 压力测量多次产生的与特性曲线之间的差值称作非线性

热效应

温度波动会影响到压力传感器的测量值。还有一种称之为温度迟滞的影响。一般来说,迟滞表示的是通过正向和反向路径,测量相同的点所产生的系统偏差。关于温度迟滞,这里的迟滞描述的是当特定温度增加或降低时,在某一温度下的输出信号的差值(即偏差)。在STS的产品中通常在25℃情况下。

Figure 3: 压力变送器的典型热效应表现

总误差或精度

当然,各方面所产生的一个主要问题是用户在选择传感器时应该最关注的是什么?具体案例具体分析。由于可调误差已经在工厂校正,所以只起到次要作用。在此种情况下,传感器通常在使用一年后做次校准和调试。

在采购新的传感器时,精度和热效应起到决定性作用。关键问题是:我是否是在受控条件下测量压力?这意味着当用户在校准期间(通常25℃)在基准温度附近进行测量时,热效应基本上可以忽略不计。然而,当在较大温度范围内进行压力测量时,总误差的定义就变得非常重要了。

以下是STS ATM.1st 压阻式压力传感器 参数(Figure 4):

Figure 4: 摘录自ATM.1st参数表

ATM.1ST的技术参数列出了精度和总误差,精度在不同的压力下进行了细分。给定数值来源于室温下的非线性,迟滞和非重复性。用户希望在可控温度条件下(室温)进行测量,这样使得他们可以得到特定的精度值。

另一方面,参数表中所描述的总误差也包含了温度影响。此外,总误差还增添了“典型”和“最大”项。这些中的首个描述的是典型总误差。不是所有压力传感器都是完全相同的,它们的精度稍有不同。传感器的精度与正态分布相对应。这意味着在整个压力和温度范围内,90%的测量值是和总误差所设定的值是相对应的。剩余测量值则被归结于最大总误差。

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