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儀器儀表的五大性能指標(biāo)
在工程式上儀表性能指標(biāo)通常用度(又稱精度)、變差、靈敏度來(lái)描述。儀表工校驗(yàn)儀表通常也是調(diào)校度,變差和靈敏度三項(xiàng)。變差是指儀表被測(cè)變量(可理解為輸入信號(hào))多次從不同方向達(dá)到同一數(shù)值時(shí),儀表指示值之間的大差值,或者說(shuō)是儀表在外界條件不變的情況下,被測(cè)參數(shù)由小到大變化(正向特性)和被測(cè)參數(shù)由大到小變化(反向特性)不一致的程度,兩者之差即為儀表變差,變差大小取大誤差與儀表標(biāo)尺范圍之比的百分比:
其中變差產(chǎn)生的主要原因是儀表偉動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙,運(yùn)動(dòng)部件的磨擦,彈性元件滯后等。取勝著儀表制造技術(shù)的不斷改進(jìn),特別是微電子技術(shù)的引入,許多儀表全電子化了,無(wú)可動(dòng)部件,模擬儀表改為數(shù)字儀表等等,所以變差這個(gè)指標(biāo)在智能型儀表中顯得不那么重要和突出了。
一、靈敏度是指儀表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的靈敏程度,或者說(shuō)是對(duì)被測(cè)的量變化的反應(yīng)能力,是在穩(wěn)態(tài)下,輸出變化增量對(duì)輸入變化增量的比值紅外線測(cè)溫儀器:
式中s-儀表靈敏度;
ΔL-儀表輸出變化增量;
Δx-儀表輸入變化增量;
靈敏度有時(shí)也稱"放大比",也是儀表靜特性貼切線上各點(diǎn)的斜率。增加放大倍數(shù)可以提高儀表靈敏度,單純加大靈敏度并不改變儀表的基本性能,即儀表精度并沒(méi)有提高,相反有時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,造成輸出不穩(wěn)定。儀表靈敏度應(yīng)保持適當(dāng)?shù)牧俊?br />然而對(duì)于儀表用戶,諸如化工企業(yè)儀表工來(lái)講,儀表精度固然是一個(gè)重要指標(biāo),但在實(shí)際使用中,往往更強(qiáng)調(diào)儀表的穩(wěn)定性和可靠性,因?yàn)榛て髽I(yè)檢測(cè)與過(guò)程控制儀表用于計(jì)量的為數(shù)不多,而大量的是用于檢測(cè)。另外,使用在過(guò)程控制系統(tǒng)中的檢測(cè)儀表其穩(wěn)定性、可靠性比精度更為重要。
二、度儀表度科稱精度,又稱準(zhǔn)確度。度和誤差可以說(shuō)是孿生兄弟,因?yàn)橛姓`差的存在,才有度這個(gè)概念。儀表度簡(jiǎn)言之就是儀表測(cè)量值接近真值的準(zhǔn)確程度,通常用相對(duì)百分誤差(也稱相對(duì)折合誤差)表示。電工電子儀器相對(duì)百分誤差公式如下:
式中δ-檢測(cè)過(guò)程中相對(duì)百分誤差;
(標(biāo)尺上限值-標(biāo)尺下限值)--儀表測(cè)量范圍;
Δx-誤差,是被測(cè)參數(shù)測(cè)量值x1和被測(cè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值x0之差。
所謂標(biāo)準(zhǔn)值是度比被測(cè)儀表高3~5倍的標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)得的數(shù)值。
儀表精度不僅和誤差有關(guān),而且和儀表的測(cè)量范圍有關(guān)。誤差大,相對(duì)百分誤差就大,儀表度就低。如果誤差相同的兩臺(tái)儀表,其測(cè)量范圍不同,那么測(cè)量范圍大的儀表相對(duì)百分誤差就小,儀表度就高。度是儀表很重要的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo),常用精度等級(jí)來(lái)規(guī)范和表示。精度等級(jí)就是大相對(duì)百分誤差去掉正負(fù)號(hào)和%。按國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定劃分的等級(jí)有0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.35,1.0,1.5,
2.5,4等,儀表精度等級(jí)一般都標(biāo)志在儀表標(biāo)尺或標(biāo)牌上,如 , ,0.5等,數(shù)字越小,說(shuō)明儀表度越高。
要提高儀表度,就要進(jìn)行誤差分析。誤差通??梢苑譃槭韬稣`差、緩變誤差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。疏忽誤差是指測(cè)量過(guò)程中人為造成的誤差,一則可以克服,二則和儀表本身沒(méi)有什么關(guān)系。緩變誤差是由于儀表內(nèi)部元器件老化過(guò)程引起的,它可以用更換元器件、零部件或通過(guò)不斷校正加以克服和消除。系統(tǒng)誤差是指對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí),所出現(xiàn)的數(shù)值大小或符號(hào)都相同的誤差,或按一定規(guī)律變化的誤差,可目前尚未被人們認(rèn)識(shí)的偶然因素所引起,其數(shù)值大小和性質(zhì)都不固定,難以估計(jì),但可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法從理論上估計(jì)其對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。誤差來(lái)源主要指系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。在用誤差表示精度時(shí),是指隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差之和。
三、復(fù)現(xiàn)性(重復(fù)性)測(cè)量復(fù)現(xiàn)性是在不同測(cè)量條件下,如不同的方法,不同的觀測(cè)者,在不同的檢測(cè)環(huán)境對(duì)同一被檢測(cè)的量進(jìn)行檢測(cè)時(shí),其測(cè)量結(jié)果一致的程度。測(cè)量復(fù)現(xiàn)性必將成為儀表的重要性能指標(biāo)。
測(cè)量的性不僅僅是儀表的度,它還包括各種因素對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響,是綜合誤差。以電動(dòng)Ⅲ型差壓變送器為例,綜合誤差如下式所示:
式中e0-(25±1)℃狀態(tài)下的參考精度,±0.25%或±0.5%;
e1-環(huán)境溫度對(duì)零點(diǎn)(4mA)的影響,±1.75%;
e2--環(huán)境溫度對(duì)全量程(20mA)的影響,±0. 5%;
e3-工作壓力對(duì)零點(diǎn)(4mA)的影響,±0.25%;
e4--工作壓力對(duì)全量程(20mA)的影響,±0.25%;
將e0、e1、e2、e3、e4的數(shù)值代入式(1-1-4)得:
這說(shuō)明0.25級(jí)電動(dòng)Ⅲ變送器測(cè)量精度由于溫度和工作壓力變化的影響由原來(lái)的0.25級(jí)下降為1.87,說(shuō)明這臺(tái)儀表復(fù)現(xiàn)性差.它也說(shuō)明對(duì)同一被測(cè)的量進(jìn)行檢測(cè)時(shí),由于測(cè)量條件不同,受到環(huán)境溫度和工作壓力的影響,其測(cè)量結(jié)果一致的程度差.
若用一臺(tái)全智能差變送器代替上例中電動(dòng)Ⅲ型差壓變送器,對(duì)應(yīng)式(1-1-4)中的e0=±0.0625%,e1+e2=±0.075%,e3+e4=±0.15%,代入式(1-1-4)得e綜=±0.18%,要比電動(dòng)Ⅲ型差壓變送器e綜=±1.87%小得多,說(shuō)明全智能差壓變送器對(duì)溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償、抗環(huán)境溫度和工作壓力能力強(qiáng)。可以用儀表復(fù)現(xiàn)性來(lái)描述儀表的抗*力。
測(cè)量復(fù)現(xiàn)性通常用不確定度來(lái)估計(jì)。不確定度是由于測(cè)量誤差的存在而對(duì)被測(cè)量值不能肯定的程度,可采用方差或標(biāo)準(zhǔn)差(鄧方差的正平方根)表示。不確定度的所有分量分為兩類:
A類:用統(tǒng)計(jì)方法確定的分量
B類:用非統(tǒng)計(jì)方法確定的分量
設(shè)A類不確定度的方差為si2(標(biāo)準(zhǔn)差為si),B類不確定度假定存在的相應(yīng)近似方差為ui2(標(biāo)準(zhǔn)差為(ui),則合成不確定度為:
四、穩(wěn)定性在規(guī)定工作條件內(nèi),儀表某些性能隨時(shí)間保持不變的能力稱為穩(wěn)定性(度)。儀表穩(wěn)定性是化工企業(yè)儀表工十分關(guān)心的一個(gè)性能指標(biāo)。由于化工企業(yè)使用儀表的環(huán)境相對(duì)比較惡劣,被測(cè)量的介質(zhì)溫度、壓力變化也相對(duì)比較大,在這種環(huán)境中投入儀表使用,儀表的某些部件隨時(shí)間保持不變的能力會(huì)降低,儀表的穩(wěn)定性會(huì)下降。徇或表征儀表穩(wěn)定性現(xiàn)在尚未有定量值,化工企業(yè)通常用儀表零漂移來(lái)衡量?jī)x表的穩(wěn)定性。儀表投入運(yùn)行一年之中零位沒(méi)有漂移,相反儀表投入運(yùn)行不到3個(gè)月,儀表零位就變了,說(shuō)明儀表穩(wěn)定性不好。儀表穩(wěn)定性的好壞直接關(guān)系到儀表的使用范圍,有時(shí)直接影響化工,儀表穩(wěn)定性不好造成的影響往往雙儀表精度下降對(duì)化工的影響還要大。儀表穩(wěn)定性不好儀表維護(hù)量也大,是儀表工不希望出現(xiàn)的事情。
五、可靠性儀表可靠性是化工企業(yè)儀表工所追求的另一重要性能指標(biāo)??煽啃院蛢x表維護(hù)量是相反相成的,儀表可靠性高說(shuō)明儀表維護(hù)量小,反之儀表可靠性差,儀表維護(hù)量就大。對(duì)于化工企業(yè)檢測(cè)與過(guò)程控制儀表,大部分安裝在工藝管道、各類塔、釜、罐、器上,而且化工的連續(xù)性,多數(shù)有毒、易燃易爆的環(huán)境,這些惡劣條件給儀表維護(hù)增加了很多困難,一是考慮化工安全,二是關(guān)系到儀表維護(hù)人員人身安全,所以化工企業(yè)使用檢測(cè)與過(guò)程控制儀表要求維護(hù)量越小越好,亦即要求儀表可靠性盡可能地高。
隨著儀表更新?lián)Q代,特別是微電子技術(shù)引入儀表制造行業(yè),使儀表可告性大大提高。儀表廠商對(duì)這個(gè)性能指標(biāo)也越來(lái)越重視,通常用平均*時(shí)間MTBF來(lái)描述儀表的可靠性。