Come si calcola la precisione di un sensore di pressione e qual è l'errore totale probabile?
Come si calcola la precisione di un sensore di pressione e qual è l'errore totale probabile?
Per calcolare l'accuratezza di un trasduttore di pressione, è necessario considerare sia l'accuratezza di riferimento che le prestazioni in loco. L 'errore totale probabile (TPE ) si ottiene sommando incertezze quali l'accuratezza dell'intervallo di misura calibrato, gli effetti della temperatura ambiente e l'impatto della pressione statica.
Nel vasto mondo dell'ingegneria di processo, la misurazione della pressione è la pietra miliare di operazioni efficienti, sicure e affidabili.
Con l'evoluzione delle tecnologie e il progresso delle industrie, la necessità di una misurazione accurata della pressione diventa sempre più importante.
Per i tecnici della manutenzione, della strumentazione e del controllo e per gli ingegneri di processo, orientarsi tra le complessità dei sensori di pressione può talvolta essere come cercare un ago in un pagliaio.
Ma non temete! Per ottenere prestazioni ottimali, è essenziale comprendere le sottili sfumature che influenzano la precisione di un sensore.
Questo articolo analizza il tema dei trasduttori di pressione, per fornire ai tecnici della manutenzione una panoramica sul metodo per ottenere misure di pressione accurate.
Iniziamo esplorando l'importanza di definire l'accuratezza richiesta per applicazioni di processo specifiche. Quindi, districheremo la differenza tra le prestazioni in loco e l'accuratezza di riferimento, evidenziando perché questa distinzione è fondamentale.
In seguito, verranno decodificate le numerose condizioni operative che un trasduttore di pressione può incontrare: dalle fluttuazioni della temperatura ambiente alle variazioni della pressione statica, e i loro rispettivi effetti. Verranno inoltre discussi lo zero shift, il range shift e le loro ramificazioni cumulative.
Infine, vi forniremo una metodologia completa per calcolare il probabile errore totale di un sensore di pressione.
Alla fine di questo articolo, ci auguriamo che siate dotati delle conoscenze necessarie non solo per scegliere il trasduttore di pressione giusto, ma anche per garantirne l'accuratezza per tutta la sua durata. Intraprendiamo insieme un viaggio istruttivo!
Definire l'accuratezza richiesta per la misurazione della pressione per l'applicazione e il processo industriale
Il primo passo consiste nel definire le prestazioni richieste dall'applicazione industriale per il punto di misura della pressione.
Le prestazioni in loco dei trasduttori di pressione dovrebbero essere tipicamente comprese tra lo 0,5% e il 2,0% dello span calibrato, a seconda dell'applicazione. I seguenti obiettivi di prestazione sono attesi, in media, per tutte le classificazioni di servizio: sicurezza ed efficienza dell'impianto allo 0,5%, controllo ambientale all'1,0%, sistema Scada e sistema di controllo distribuito all'1,5% e sistema di monitoraggio dell'impianto e ottimizzazione del processo al 2, 0%. Naturalmente si tratta solo di medie e alcuni clienti avranno aspettative più alte o più basse a seconda delle loro esigenze specifiche. Tuttavia, queste cifre danno un'idea generale del livello di prestazioni che i nostri clienti cercano.
Prestazioni in loco e accuratezza di riferimento
Le prestazioni in loco non devono essere confuse con l'accuratezza del riferimento.
Esistono due concetti distinti quando si parla di sistemi di misurazione:
Precisione di riferimento :
È l'accuratezza di un sensore di pressione in condizioni specifiche e controllate, di solito in laboratorio. Fornisce uno standard o un riferimento rispetto al quale è possibile confrontare le prestazioni del sensore. L'accuratezza di riferimento comprende gli effetti combinati di non linearità, isteresi e non ripetibilità in queste condizioni definite.
Prestazioni in loco :
Si riferisce alle prestazioni di un sensore o di un sistema di misura in condizioni reali o nell'ambiente a cui è destinato.
Numerosi fattori possono influenzare le prestazioni in loco, tra cui le variazioni della temperatura ambiente, l'effetto della pressione statica, la stabilità nel tempo, l'influenza della tensione di alimentazione, la posizione di montaggio e altri fattori ambientali.
Le prestazioni in loco possono differire dalla precisione di riferimento a causa di queste influenze esterne.
In pratica, mentre un sensore di pressione può avere un'eccellente precisione di riferimento in condizioni controllate, le sue prestazioni in loco possono variare in base alle complessità e alle imprevedibilità dell'ambiente reale. È quindi essenziale tenere conto di entrambi questi fattori quando si valuta o si utilizza un sensore di pressione per un'applicazione specifica.
Definire le condizioni operative del sensore di pressione
Il secondo passo consiste nel definire le condizioni operative a cui il dispositivo sarà esposto.
Effetto della temperatura ambiente
A seconda dell'applicazione, i trasmettitori di pressione possono essere soggetti a variazioni significative della temperatura ambiente.
Ad esempio, se un sensore di pressione viene utilizzato all'aperto, la temperatura ambientale può variare da -20°C a 60°C. Ciò è molto diverso dall'uso in laboratorio, dove la temperatura ambiente è stabile e climatizzata.
Effetto della pressione statica
L'altro parametro da tenere in considerazione è la pressione statica sul processo.
Nel caso della misurazione della pressione differenziale, maggiore è la pressione statica, minore è la precisione. Per i sensori di pressione assoluta e relativa, l'effetto della pressione statica è nullo.
La conoscenza di questi fattori che possono influenzare l'accuratezza ci permette di calcolare l'errore totale probabile (TEP), che definisce l'accuratezza del trasduttore di pressione nelle condizioni di installazione dell'applicazione, quando tutte le singole fonti di errore vengono combinate. Questo errore totale di prestazione è la differenza tra la deviazione di misura più positiva e quella più negativa rispetto alla pressione effettiva. Viene calcolato combinando tutti i possibili errori nelle condizioni operative dell'applicazione.
Il valore dell'errore totale probabile viene utilizzato per definire le prestazioni peggiori del trasmettitore di pressione installato in loco.
Effetto sulle impostazioni di zero e span
Fattori come la temperatura ambiente e la pressione statica hanno una certa influenza sull'accuratezza e sulle prestazioni del sensore di pressione. Influenzano sia il punto zero che il campo di misura impostato dei trasmettitori di pressione, determinando deviazioni o imprecisioni di misura.
Offset di zero: L'offset di zero, spesso indicato semplicemente come "deriva di zero", si riferisce alla situazione in cui il punto di zero o la misura di riferimento del sensore si discosta dallo zero effettivo o calibrato. In parole povere, in assenza di input (ad esempio, in assenza di pressione), il trasduttore dovrebbe indicare zero, ma se c'è un offset di zero, può indicare invece un valore positivo o negativo.
Range shift: Il range shift, spesso indicato come "deriva del range", si riferisce alla differenza tra le uscite massime e minime di uno strumento. Il range shift è una variazione della sensibilità o del fattore di scala del sensore di pressione.
Effetto totale : Questo effetto combina gli effetti dello spostamento dello zero e della deriva dell'intervallo. L'effetto totale quantifica la deviazione complessiva o l'errore di lettura dello strumento dovuto ai due spostamenti.
Come si calcola l'errore totale probabile di un sensore di pressione?
Abbiamo innanzitutto determinato l'accuratezza richiesta in loco per l'applicazione, determinato i parametri di installazione che influenzano l'accuratezza della nostra misura e la loro influenza sull'offset di zero e sull'offset di scala.
Il passo successivo consiste nel calcolare il probabile errore totale utilizzando le specifiche disponibili sul sito web del produttore del trasduttore di pressione (specifiche tecniche). Questo calcolo è la somma delle radici quadrate delle incertezze associate alla precisione di riferimento e ai fattori di installazione, come la temperatura ambiente e l'effetto della pressione statica.
L'errore totale probabile del dispositivo comprende la precisione di riferimento, l'effetto della temperatura ambiente, l'effetto della pressione statica e viene calcolato con la seguente formula TPE:
Errore totale probabile = ± √ ((E1)²+(E2)²+(E3)²)
E1 = Precisione nominale della scala calibrata o precisione di riferimento E2= Effetto della temperatura ambiente E3 = Effetto della pressione statica
E1. Precisione nominale o di riferimento
La precisione nominale deve essere calcolata sulla scala calibrata o impostata. La precisione di riferimento comprende gli errori di incertezza massimi per isteresi, non linearità e non ripetibilità.
E2. Effetto della temperatura ambiente
I sensori di pressione vengono calibrati in laboratorio a una temperatura ambiente stabile. La temperatura ambiente nel luogo di applicazione può essere diversa. Questa temperatura influisce sui componenti elettronici dello strumento di misura e può determinare una misurazione imprecisa. I produttori di sensori di pressione, come Fuji Electric, generalmente esprimono questo effetto in incrementi di 28°C.
E3. Effetto della pressione statica
Gli errori di pressione statica possono essere causati da diversi fenomeni all'interno del sensore di pressione. Tra questi, la deformazione dei diaframmi metallici sotto la pressione di linea e il bilanciamento dei volumi dell'olio di riempimento. I fornitori definiscono generalmente l'influenza della pressione statica ogni 10 MPa di variazione di pressione. Gli effetti della pressione statica su un trasduttore di pressione differenziale possono manifestarsi con spostamenti dello zero e dell'intervallo. Questo fenomeno viene talvolta definito "effetto pressione statica" o "effetto pressione di linea".
Effetto su zero :
Si tratta dell'offset nel segnale di uscita del sensore quando non c'è pressione differenziale nel trasmettitore, ma c'è una pressione statica o una pressione di linea applicata. Suggerimento: l'effetto sullo zero può essere eliminato con l'azzeramento in condizioni di pressione statica, il che significa che il trasmettitore può essere ricalibrato o regolato in condizioni di pressione statica per riportare il suo punto zero al livello di riferimento corretto. In questo modo si compensano efficacemente gli effetti della pressione statica sulla lettura dello zero.
Effetto sulla scala :
Si tratta della variazione del campo di uscita del trasmettitore dovuta alla pressione statica o alla pressione di linea.
Esempio di calcolo dell'errore totale di prestazione di un sensore di pressione
Per il nostro esempio, considereremo le seguenti condizioni di servizio per la nostra applicazione.
Campo di pressione differenziale Dp: 0-100 mbar
Intervallo di temperatura ambiente: da 4 a 32°C, con un delta di 28°C.
Pressione statica di processo: 69 bar
Prestazioni accettabili (TPE): 0,2% del campo di misura
Quindi, prima di tutto, consideriamo il modello giusto per il campo di misura della pressione richiesto e per le condizioni operative dell'applicazione, seguendo questa guida alla selezione dei trasduttori di pressione. L'impostazione della scala deve essere impostata il più vicino possibile al limite superiore del campo della cella del sensore per ottenere la migliore precisione. Per una misura di pressione di 0-100 mbar, scegliamo il modello FKC..33 che offre il campo più vicino di 0/320 mbar.
Trasduttore di pressione differenziale Fuji Electric [FKC33...6]
Modelli
Limite di pressione statica MPa {bar}
Campi di misura kPa {mbar} MIN
Campi di misura kPa {mbar} MAX
Impostazioni possibili kPa {m bar}
FKC 11
Da -0,1 a + 3,2 {-1 a + 32}
0,1 {1}
1 {10}
±1 {±10}
FKC 22
Da -0,1 a + 10 {-1 a + 100}
0,1 {1}
6 {60}
±6 {±60}
FKC 33
Da -0,1 a + 16 {-1 a + 160}
0,32 {3,2}
32 {320}
±32 {±320}
FKC 35
Da -0,1 a + 16 {-1 a + 160}
1.3 {13}
130 {1300}
±130 {±1300}
FKC 36
Da -0,1 a + 16 {-1 a + 160}
5 {50}
500 {5000}
±500 {±5000}
FKC 38
Da -0,1 a + 16 {-1 a + 160}
30 {300}
3000 {30000}
±3000 {±30000}
FKC 43
Da -0,1 a + 42 {-1 a + 420}
0,32 {3,2}
32 {320}
±32 {±320}
FKC 45
Da -0,1 a + 42 {-1 a + 420}
1.3 {13}
130 {1300}
±130 {±1300}
FKC 46
Da -0,1 a + 42 {-1 a + 420}
5 {50}
500 {5000}
±500 {±5000}
FKC 48
Da -0,1 a + 30 {-1 a + 300}
30 {300}
3000 {30000}
±3000 {±30000}
FKC 49
Da -0,1 a + 30 {-1 a + 300}
500 {5000}
20000 {200000}
{+20000,-10000} {+200000,-100000}
Il campo di misura calibrato è di 100 mbar Il limite superiore del campo della cella del trasmettitore di pressione è di 320 mbar.
Precisione del campo di misura calibrato o precisione di riferimento
Precisione: (comprese linearità, isteresi e ripetibilità)
Per modelli da 32 kPa a 3000 kPa
MPE > 1/10 della scala massima: ±0,065% di MPE o ±0,04% di MPE come opzione
EMR < à 1/10 de l’échelle maximale : ± (0.015 + 0.005 × Ech.max/EMR ) % de l’EMR
La migliore precisione di riferimento, compresi gli errori di incertezza massimi per isteresi, non linearità e non ripetibilità, è pari a ± 0,04% della scala per il trasmettitore di pressione Fuji Electric FKC.
E1 = 0,04 % *100 E1= 0,04 mbar
Effetto della temperatura ambiente
Influenza della temperatura
I valori riportati di seguito sono indicati per variazioni di temperatura di 28°C tra -40°C e +85°C.
In questo caso si considera l'offset zero dell'effetto della pressione statica. E3 = ± 0,035*320% E3 = ± 0,112 mbar Possiamo ora calcolare il probabile errore totale.
Probabile errore totale (FTE)
Errore totale probabile = ± √ ((E1)²+ (E2)²+ (E3)²) E1= precisione nominale della scala calibrata E2= effetto della temperatura ambiente a 28°C E3 = effetto della pressione statica a 6,9 MPa
L'applicazione di processo richiedeva un'accuratezza di ± 0,2% dello span. Il sensore misurerà una pressione differenziale di 100 mbar in condizioni operative normali. La prestazione richiesta del sensore in loco sarà di ±0,5 mbar. Possiamo concludere che il sensore di pressione differenziale Fuji Electric FKC è adatto a questa applicazione. Per completare la nostra analisi delle prestazioni di pressione, possiamo aggiungere un ulteriore fattore che influenza la precisione della pressione in loco.
Effetto di sovrapressione
Per sovrapressione si intende una situazione in cui la pressione supera il campo massimo calibrato del dispositivo di misura. Queste condizioni possono verificarsi in caso di incidenti o situazioni anomale. Anche la precisione dei sensori di pressione è influenzata dalla sovrapressione. I produttori di sensori di pressione, come Fuji Electric, generalmente esprimono questo effetto in termini di pressione massima di esercizio.
Decodificare la precisione: navigare tra le sfumature della precisione dei sensori di pressione
La misurazione della pressione rimane un aspetto fondamentale per garantire l'efficienza e la sicurezza delle operazioni nel campo dell'ingegneria di processo. La sua accuratezza è fondamentale, data la diversità e la complessità delle applicazioni in diversi settori.
L'esplorazione completa dei trasduttori di pressione in questo articolo ha evidenziato l'importanza di comprendere sia l'accuratezza di riferimento che le prestazioni in loco, nonché i fattori che influenzano questi parametri, compresi gli effetti della temperatura ambiente, l'impatto della pressione statica, gli spostamenti di zero e gli spostamenti di span.
Attraverso una spiegazione sistematica, abbiamo rivelato come calcolare l'errore totale probabile (TPE), tenendo conto di varie incertezze come l'accuratezza dello span calibrato, l'influenza della temperatura ambiente e gli effetti della pressione statica. L'esempio fornito, che utilizza le specifiche del sensore di pressione differenziale Fuji Electric FKC, semplifica ulteriormente l'applicazione pratica di queste conoscenze.
In sostanza, quando si sceglie un trasduttore di pressione, è indispensabile assicurarsi che non solo soddisfi i parametri prestazionali richiesti, ma che resista anche alle condizioni variabili del sito, garantendo la sua precisione per tutta la durata della sua vita operativa. Integrando le informazioni fornite, gli ingegneri di manutenzione e di processo possono senza dubbio prendere decisioni più informate, migliorando l'affidabilità e l'efficienza dei loro sistemi.
Misure di precisione con i sensori di pressione di classe ad alte prestazioni di Fuji Electric!
Quando si sceglie un sensore di pressione, è importante optare per un dispositivo che abbia un impatto minimo sull'ambiente.
L'avanzata tecnologia a cella flottante dei trasduttori di pressione Fuji Electric offre un'elevata immunità alle variazioni di temperatura, alla pressione statica e alla sovrapressione comunemente riscontrate nell'industria di processo e riduce in modo significativo l'errore di misura complessivo.
I trasduttori di pressione Fuji Electric di classe ad alte prestazioni sono progettati per rivoluzionare la misurazione della pressione. Sono caratterizzati termicamente durante il processo di produzione per migliorare la precisione di riferimento e ridurre al minimo l'influenza della temperatura ambiente e della pressione statica.
Questo esclusivo processo di caratterizzazione termica, noto come giroscopio 4D, ha permesso di caratterizzare la cella del trasmettitore di pressione in un intervallo di temperatura compreso tra -40 e +85°C.
I dati vengono raccolti durante il processo di produzione, registrando lo spostamento dello zero e lo span a diverse temperature, utilizzando un processo di produzione automatizzato. Viene eseguito un algoritmo di adattamento della curva non lineare per caratterizzare il comportamento unico del sensore di pressione.
Durante questo processo, i dati di compensazione vengono continuamente caricati in ogni cella del trasmettitore di pressione per compensare attivamente gli effetti dell'ambiente termico. Il risultato è un'accuratezza di riferimento (comprese isteresi, non linearità e non ripetibilità) inferiore a +0,04% del fondo scala su questo ampio intervallo compensato in temperatura.
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