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教你如何选择最适用的测量仪表?

54 测量仪表 传感器
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影响测量仪表测量不确定性的因素有哪些?
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2021-5-7 06:23:17   评论 分享淘帖 邀请回答
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  测量仪表的质量通常用一个简单的问题进行评估:测量精度如何?选择最适用的测量仪表就需要认识一下影响测量不确定性的一些因素。这样反过来还可更深入了解该类仪表的技术指标所列出的信息以及未列出的信息。仪表测量的性能根据动态性(量程、响应时间)、准确度(重复性、精密度和灵敏度)以及稳定性(对老化及恶劣环境的容差)来进行评估的。其中,准确度(应该是最大允许误差,经常被叫做精度)通常被视为最重要的质量因素,也是最难以确定的因素。
  灵敏度与准确度
  测量输出变化与标准值变化之间的关系称为灵敏度。理想情况下这种关系呈现为完美线性,但在实际操作中所有测量均会存在某些瑕疵或不确定性。
  被测值与与标准值的一致性通常简单地称为“准确度”,但这是一个略微模糊的术语。严格定义的准确度通常包括重复性。重复性指在测量条件不变的情况下,仪器在重复测量时能够达到相似测量结果的能力。但是其可能包含也可能不包含湿滞、温度依赖性、非线性和长期稳定性。重复性本身通常是测量不确定性的次要来源,如果精度规范不包含其它不确定性,则其可能会造成对实际测量性能的错误印象。
  测量值与已知标准值之间的关系往往被称为传递函数。 请见图2,当测量值调整时,这种关系也将根据已知校准基准进行微调。理想情况下,传递函数呈现为跨整个量程的完美线性,但在实际操作中大多数测量均会因被测量的大小不同而在灵敏度上发生一些变化。
  这种类型的瑕疵被称之为非线性。这种现象通常在量程的极限处比较突出。因此,核实精度规范是否包含非线性以及精度是否适用于全量程范围非常必要。若非如此,那么就有理由对接近极限值的测量精度表示怀疑。
  湿滞是指与被测变量变化方向有关的测量灵敏度变化(见图4)。这可能是导致某些湿度传感器测量不确定的重要原因,而这些传感器采用极易附着水分子的材料制造而成。如果规定的精度未标明是否包含湿滞,那么造成这一测量不确定性的原因就会变得不明确。此外,如果校准顺序仅按一个方向进行,湿滞的作用在校准过程中将不会显示出来,而如果技术规范中忽略了湿滞,那么也将无法掌握测量中的湿滞水平。维萨拉薄膜聚合物传感器的湿滞几乎可以忽略不计,并且始终在规定精度之内。
  温度和压力等环境条件也会对测量精度产生影响。如果温度依赖性未确定而工作温度变化剧烈,那么可重复性可能就会受到影响。规定的技术指标规范既可能适用于全量程工作温度,也可能适用于特定、有限或“常规”的工作温度范围。如果没有明确的说明以这种方式表示的技术规范将在一定的温度范围处于无法确定的状态。
  稳定性和选择性
  随着时间的推移,测量仪表的灵敏度可能会因老化而发生变化。在某些情况下这种作用可能会因受到化学品或其它环境因素的干扰而加速。如果未确定长期稳定性,或者如果制造商无法提供常规校准周期的推荐值,那么技术规范实际上仅代表了校准时间内的精度。灵敏度的缓慢变化(有时候被称为漂移或蠕变)的危害在于其难以发现,且可能会导致控制系统的潜在问题。
  选择性可定义为仪表对于除实际被测量气体以外其它因素变化的低灵敏度。例如,在含有某些化学成分的大气中进行的湿度测量可能会受到影响,导致测量值实际上会受到该化学成分的影响。此类影响可能为可逆的,也可能为不可逆的。其对某些化学品的响应可能会相当缓慢,而这种对化学品的交叉灵敏度很容易被误认为漂移。具有良好选择性的仪器不会受到除实际被测量气体以外任何其它因素变化的影响。
  校准与不确定度
  如果测量读数与标准基准出现偏差,可以对仪器的灵敏度进行校正。该过程被称为调整。在单点上进行的调整称为零点偏移校正;两点调整则为针对零点偏移和增益(敏度)的线性校正。如必须要在多个点上对测量值进行调整,那么可能会导致测量的线性度较差,需要采用非线性多点校正对其进行补偿。此外,如果调整点与校准点相同,那么调整点之间的测量质量仍然无法得到验证。
  当仪表经过调整之后,表明已通过校准对其精度进行验证。校准有时候容易与调整混淆,校准是指将被测值与被称为工作标准的已知基准进行比较。工作标准为可溯源链条中的第一环,它处于一系列校准和标准的最末端,并可追溯到原始的校准和标准。虽然许多根据特定标准进行校准的仪表可能彼此之间的准确度较高(高度精确),但如果无法确定校准的不确定度,那么与原始标准的绝对精度则无法验证。
  校准可溯源性表示一直到原始标准的测量、基准和相关不确定度链条已知且已经经过专业化记录处理。这样就可实现对校准标准不确定度的计算,并可确定仪表的精度。
  怎样才算“足够精确”?
  在选择测量仪表时,必然考虑所要求的精度水平。例如,在要求将相对湿度按人体舒适度调整的标准通风控制应用中,达到相对湿度为±5%的精度是合意的。但是在冷却塔控制之类的应用中,需要更精确的控制和更微小的调节余量才能实现更高的运行效率。
  在将测量值作为控制信号使用时,可重复性和长期稳定性(精密性)非常重要,与可溯源标准有关的绝对精度就处于次要地位。这在温度与湿度变化较大的动态工艺过程中尤为如此,测量稳定性则比绝对精度更为重要。
  另外,如果测量值用于验证实验室内部试验条件与其它实验室的可比性,则绝对精度和校准可溯源性均至关重要。TAPPI/ANSIT402标准–纸、纸板、纸浆手抄纸及相关产品标准条件及测试环境即为此类精度要求的一个示例,该标准规定了纸张测试实验室的试验条件为23±1,0°C以及50±2 %RH。如果测量规定精度(最大允许误差)为±1.5 % R H而校准不确定度为±1.6 %RH,那么相对原始校准标准的总不确定度将超出规范,而与测试机构内部环境湿度相关性很大的测试分析将不具有可比性,并将无法确认所进行的测试分析是在标准条件下完成的。
  在没有校准标准不确定度相关信息的情况下,仅仅通过精度规范则无法确定仪表的绝对精度。
2021-5-7 14:02:48 评论

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