Основные принципы измерения с помощью пропорционального регулятора давления и датчика давления.

1. Что такое пропорциональный регулятор давления и датчик давления?

В процессе регулирования вакуумного давления часто используются различные датчики вакуумного давления и пропорциональные регуляторы давления КаоЛу . Эти датчики и пропорциональные регуляторы давления КаоЛу обычно имеют различные показатели точности, такие как линейность, гистерезис, повторяемость и чувствительность и т. д., а некоторые предоставляют только общий показатель точности. Определения этих показателей точности часто имеют различное значение, что необходимо четко различать при их использовании, особенно для точного измерения и контроля вакуумного давления.

В данной статье будут рассмотрены основные понятия параметров, таких как линейность, гистерезис, повторяемость и чувствительность, для различных датчиков и пропорционального регулятора давления Kao Lu, используемых в процессе управления вакуумным давлением, а также объяснено, как эффективно и правильно использовать эти прецизионные показатели.

2. Основные понятия, касающиеся точности.

Международная электротехническая комиссия (IEC) определяет точность как «максимальное положительное или отрицательное отклонение от заданной характеристической кривой, наблюдаемое при испытании устройства по заданной процедуре в заданных условиях». Однако определение точности для датчика давления и пропорционального регулятора давления гораздо сложнее, поскольку источниками ошибок могут быть нелинейность, гистерезис, повторяемость, температура, нулевой баланс, калибровка и влияние влажности.

Точность оказывает существенное влияние на стоимость датчиков давления и пропорциональных регуляторов давления , и, что более важно, на качество или эффективность процесса измерения. При выборе датчиков и пропорциональных регуляторов давления важно понимать, какие факторы определяют точность. Хотя единого стандартного определения точности преобразователей давления и пропорциональных регуляторов давления не существует, есть стандарт IEC, определяющий факторы, влияющие на точность. IEC 61298-2 устанавливает, что точность должна включать нелинейность, гистерезис и повторяемость. Источники ошибок, связанные с точностью, и соответствующие им методы измерения будут рассмотрены по пунктам ниже:

2.1 Нелинейность и методы ее измерения

Нелинейность также часто называют линейностью, прямолинейностью или ошибкой линейности. Нелинейность относится к отклонению между кривой выходного электрического сигнала датчика давления и заданной прямой линией в пределах измеренного диапазона давления. Отклонение между кривой выходного давления пропорционального регулятора давления Kao Lu и заданной прямой линией в пределах диапазона входного электрического сигнала означает, что выходной сигнал линейного устройства отклоняется от желаемой степени.

Распространенным методом расчета ошибки линейности является метод наименьших квадратов, который математически обеспечивает наилучшую прямую линию для точек данных, как показано на рисунке 1. Другой способ определения ошибки линейности — это терминальная базовая линейность, как показано на рисунке 2. Терминальная линейность определяется путем проведения прямой линии (L1) между двумя конечными точками данных на выходной кривой. Затем проводится вертикальная линия от линии L1 до точек данных на выходной кривой. Выбираются точки данных, длина которых достигает максимального значения вертикальной линии. Длина вертикальной линии представляет собой ошибку линейности терминальной прямой. Терминальная линейность примерно в два раза лучше, чем наилучшая линейность аппроксимации.


Нелинейность обычно выражается в процентах от полной шкалы, единица измерения – % от полной шкалы, а соответствующая погрешность нелинейности равна: диапазон × нелинейность. Если диапазон измерения составляет 1 МПа, а нелинейность – 0,05 % от полной шкалы, то нелинейная погрешность равна: 1 МПа × 0,05 % = 0,5 кПа.

Для определения нелинейности датчиков давления и пропорционального регулятора давления необходимо сначала собрать данные измерений. Обычно это делается путем приложения давления через равные интервалы в диапазоне от нуля до полного диапазона давления или путем подачи аналогового сигнала через равные интервалы в диапазоне от нуля до полного диапазона аналогового электрического сигнала, а также при каждом значении давления и заданном значении аналогового сигнала на выходе.

Чем больше точек измерения давления, тем точнее нелинейный расчет. После записи измерений необходимо определить, с какой линией сравнивать данные испытаний. Существует несколько различных линий, которые можно использовать для расчета погрешности линейности датчика давления; ниже приведены три наиболее часто используемые:

Подходящая прямая линия

Подходящая прямая линия, как правило, обеспечивает наименьшую погрешность, поскольку она оптимизирована для наименьшего среднего отклонения по всем точкам измерения. Для определения смещения и наклона линии можно использовать различные математические методы, от простой линии, проведенной между двумя параллельными линиями, содержащими все точки, до расчета методом наименьших квадратов.
1. Терминальная линия
   Хотя это и не приведет к малейшей погрешности, это очень полезно для выявления фактической линейности работы датчика. При подключении датчика давления к измерительному прибору выходной сигнал датчика давления преобразуется в показание путем установки нулевого и полного диапазона давления и предположения о прямой линии между двумя точками. Это самый простой и удобный метод калибровки.
2. Идеальная прямая линия
   Выходной сигнал каждой точки измерения напрямую сравнивается с выходным сигналом более точного датчика давления. Например, выходной сигнал 0-10 В в диапазоне 0-5 бар точно сгенерирует сигнал напряжения 2,5 В при 1,25 бар. Идеально прямые линии редко используются в датчиках давления, поскольку они обычно не включают в себя компоненты для регулировки нулевого смещения и коэффициента усиления диапазона. Кроме того, нет двух абсолютно одинаковых датчиков давления. Все они имеют разные характеристики нуля и диапазона, отклонения которых могут быть намного больше, чем ошибки линейности.

Следовательно, для партии датчиков давления необходимо увеличить погрешность линейности, чтобы учесть вариации нулевых и диапазонных характеристик. Однако существуют и такие области применения, где требуется идеально прямая линия, например, в тех случаях, когда неисправный датчик давления необходимо заменить напрямую, без калибровки нулевых и диапазонных параметров.

2.2 Повторяемость

Погрешность повторяемости — это отклонение выходного показания при непрерывном многократном измерении любого заданного входного давления при условии, что другие условия остаются неизменными. Для пропорционального регулятора давления Kao Lu это отклонение выходного показания давления при непрерывном измерении любого заданного входного напряжения. Погрешности повторяемости можно разделить на погрешности повторяемости и погрешности неповторяемости.

Повторяемая ошибка относится к предсказуемым неопределенностям, которые можно охарактеризовать или устранить из измерений с помощью дополнительной аналоговой обработки или микропроцессорной электроники. Как правило, для датчиков давления и пропорциональных регуляторов давления повторяющиеся ошибки представляют собой ошибки линейности и ошибки теплового смещения нуля/диапазона.

Погрешность повторяемости датчика давления иногда включает в себя кратковременную погрешность повторяемости, которая указывает на стабильность датчика давления в течение ряда циклов изменения давления, полученную путем сбора данных во второй и третьей калибровочных точках вскоре после первого сбора.

Для определения погрешности повторяемости сравните каждую точку давления с той же точкой во 2-м и 3-м циклах, то есть сравните одну и ту же точку давления для каждого цикла давления с первым циклом, чтобы определить величину изменения. Кратковременная повторяемость редко указывается как отдельная погрешность в спецификации и обычно включается в комбинированные погрешности нелинейности, гистерезиса и повторяемости.

Неповторяющиеся ошибки — это сложные неопределенности измерений, которые невозможно предсказать и охарактеризовать, такие как гистерезис, кратковременная повторяемость и долговременная стабильность. Неповторяющаяся ошибка изменяется в зависимости от изменений давления, количества и частоты циклов изменения давления и, следовательно, варьируется от применения к применению. Долговременная стабильность — это показатель того, насколько хорошо выходной сигнал изменяется со временем в нормальных условиях эксплуатации.

Долговременный дрейф выражается в процентах от полной шкалы за определенный период времени, обычно за 12 месяцев. Иногда указываются только нулевая и диапазонная долговременная стабильность, особенно если одна из них значительно больше другой. Долговременный дрейф — это, по сути, просто число, сравнивающее одну технологию с другой, и на него нельзя полагаться в конкретном применении. Это связано с тем, что количество циклов давления, температурных циклов, вибрации и ударов, которым подвергнется датчик давления в течение своего срока службы, трудно предсказать.

Все эти факторы в различной степени влияют на работу датчика давления в зависимости от амплитуды и частоты. Вкратце, в заявлении о точности обычных датчиков давления и пропорциональных регуляторов давления индекс повторяемости обычно относится к повторяемости, а повторяемость здесь, как правило, означает кратковременные повторяющиеся ошибки.

2.3 Гистерезис

Ошибка гистерезиса обычно выражается как комбинация механического и температурного гистерезиса. Механический гистерезис — это отклонение выходного сигнала при определенном входном давлении, когда это давление сначала увеличивается, а затем уменьшается. Аналогично, температурный гистерезис — это отклонение выходного сигнала на входе до и после температурного цикла. Гистерезис представлен как комбинация двух эффектов, как показано на рисунке 3.

В технических характеристиках датчиков давления редко упоминается температурный гистерезис, поэтому сложно определить, включен ли он в общую температурную погрешность. Если температурный гистерезис указан, он выражается в процентах от полной шкалы в компенсированном диапазоне температур.

Индивидуальная ошибка гистерезиса измерения рассчитывается путем сравнения выходного сигнала в одной и той же точке давления в наборе данных с возрастающим и убывающим давлением. Однако, когда задержки рассчитываются с использованием других данных для оценки общей точности, каждая точка рассматривается индивидуально и сравнивается с наилучшей прямой линией.

Гистерезис датчиков давления и пропорциональных регуляторов давления измеряется путем приложения напряжения давления или управляющего напряжения от нуля до полной шкалы, обычно с остановкой на 5 равноудаленных шагах без превышения измеренного значения. Затем процесс повторяется в обратном направлении от полной шкалы до нуля.

Для достижения наилучших результатов важно тщательно контролировать давление или напряжение, чтобы они не выходили за пределы точки измерения, поскольку изменения направления приложенного давления и напряжения приводят к вторичным эффектам гистерезиса.

Ошибка гистерезиса представляет собой отклонение значений между возрастающими и убывающими значениями давления или напряжения, измеренными в одной и той же точке. Процент гистерезиса можно определить, взяв максимальное отклонение и разделив его на значение давления в полном диапазоне. Как показано на рисунке 3, конкретный процесс расчета выглядит следующим образом:
Процент гистерезиса = ((Vp1 - dVp1)/FRO) × 100
Vp1 = Выходное напряжение при давлении P1 во время повышения давления.
dVp1 = Выходное напряжение при давлении P1 во время декомпрессии.
FRO = Выходное напряжение при полном давлении

2.4 Разрешение и чувствительность

Разрешение относится к способности датчика воспринимать малые изменения измеряемого параметра. Иными словами, если входная величина медленно изменяется от определенного ненулевого значения, и это изменение не превышает определенного значения, выходной сигнал датчика не изменится, что означает, что датчик не сможет различить изменение входной величины. Его выходной сигнал изменится только тогда, когда входная величина изменится за пределы разрешения.

Разрешение каждой точки датчика в полном диапазоне шкалы обычно неодинаково, поэтому изменение входной величины, которое может вызвать ступенчатое изменение выходной величины в полном диапазоне шкалы, часто используется в качестве показателя для измерения разрешения, то есть разрешение = измеренное изменение выходной величины / измеренное изменение. Чувствительность относится к отношению изменения выходного напряжения ΔV к изменению входного давления ΔP в условиях установившегося режима работы датчика давления, то есть чувствительность = изменение отклика / измеренное изменение.

Чувствительность — это наклон кривой зависимости выходного сигнала от входного. Если между выходным и входным сигналами датчика давления существует линейная зависимость, то чувствительность является постоянной. В противном случае она будет изменяться в зависимости от величины входного сигнала.

Когда выходной и входной сигналы датчика имеют одинаковые размеры, чувствительность можно рассматривать как коэффициент увеличения. В общем, чем выше чувствительность, тем лучше разрешение и выше точность измерений. Однако, чем выше чувствительность, тем уже диапазон измерений и хуже стабильность.

В системах регулирования давления с использованием пропорциональных регуляторов давления очень важны показатели разрешения и чувствительности, которые часто определяют их конечную точность. Особенно в процессе регулирования давления с помощью внешнего ПИД-регулятора, чем выше чувствительность пропорционального регулятора давления , тем меньше он может принимать управляющих сигналов, подаваемых ПИД-регулятором, что позволяет достичь более высокой точности регулирования и управления давлением.

3. Взаимосвязь между общей погрешностью и точностью.

Точность обычно является основным фактором, который следует учитывать при выборе датчика давления и пропорционального регулятора давления . Следует отметить, что точность — это лишь часть общей погрешности, и общая погрешность иногда отражается в технических показателях датчика и пропорционального регулятора давления . Общая погрешность зависит от различных факторов, таких как условия эксплуатации датчика и т. д. Как показано на рисунке 4, общая погрешность в основном включает три аспекта: погрешность регулировки, точность и влияние температуры.

Как показано на рисунке 4, регулируемая погрешность состоит из нулевой и диапазонной погрешностей. Регулируемые погрешности легко идентифицировать и корректировать. Эти два показателя — датчика давления и пропорционального регулятора давления — обычно калибруются перед отправкой с завода и в процессе калибровки.

Долговременная стабильность, также известная как долговременная ошибка или долговременный дрейф, является причиной ошибок нуля и диапазона во время работы. Это означает, что эти две регулируемые ошибки могут появиться снова или даже «усугубиться» после длительного использования датчика. С помощью калибровки и последующих корректировок этот долговременный дрейф можно снова исправить.

Температурный эффект является причиной общей ошибки, заключающейся в том, что колебания температуры влияют на измеренные значения датчика давления и пропорционального регулятора давления . Существует также эффект, известный как температурный гистерезис. В общем, гистерезис представляет собой систематическое отклонение при измерении одной и той же точки при прямом и обратном путях. В контексте температурного гистерезиса здесь описывается разница (т.е. отклонение) выходного сигнала при определенной температуре, когда конкретная температура повышается или понижается.

4. Заключение

В практическом применении датчиков давления и пропорционального регулятора давления Kao Lu основная проблема заключается в том, на что следует обратить наибольшее внимание при выборе датчиков и пропорционального регулятора давления Kao Lu , что требует специфического анализа конкретных ситуаций. Поскольку погрешность регулировки корректируется производителем, она играет лишь второстепенную роль. Кроме того, датчики давления обычно требуют регулярной калибровки и отладки во время эксплуатации.

Поэтому в практических приложениях точность и тепловые эффекты часто играют решающую роль. Ключевой вопрос: используется ли прибор в контролируемых условиях? Это означает, что при измерении вблизи эталонной температуры во время калибровки (обычно 25 °C) температурный эффект практически незначителен, и основная составляющая общей погрешности — это только эффект точности. Однако при измерении и контроле давления в широком диапазоне температур температурные эффекты становятся очень важными.