Uitgebreide informatie over de nauwkeurigheid van drukmetingen

Zelfs de beste meetapparatuur geeft een bepaalde afwijking van de werkelijke waarde. Het is belangrijk om te weten hoe deze meetnauwkeurigheid wordt gedefinieerd. In dit artikel leggen we de basisprincipes uit van verschillende meetafwijkingen en hoe ze gedefinieerd worden. Voor veel drukomzetters wordt de totale nauwkeurigheidswaarde uitgedrukt als een percentage van het meetbereik. De algehele nauwkeurigheid is een gecombineerd effect van:

• Niet-lineariteit
• Hysterese
• Nulpuntscompensatie en bereikfout
• Afwijking eindwaarde

Deze verschillende factoren die de nauwkeurigheid beïnvloeden, worden in detail uitgelegd in de volgende paragrafen.

Inhoudsopgave

• Karakteristieke curve
• Maximale meetfout
• Niet-lineariteit
• Hysterese
• Nulpuntscompensatie en bereikfout
• Niet-herhaalbaarheid
• Temperatuurfout
• Temperatuurhysterese
• Afwijking op lange termijn

Karakteristieke curve

De karakteristiek geeft de relatie weer tussen het ingangs- en uitgangssignaal. In de ideale situatie is het uitgangssignaal lineair afhankelijk van het ingangssignaal. Dit zou betekenen dat de karakteristieke curve een rechte lijn is. Dit is echter niet het geval, de karakteristieke curve wijkt af van de ideale rechte lijn.

De nauwkeurigheid wordt vaak gedefinieerd als de afwijking van de karakteristieke curve van de ideale lijn. De nauwkeurigheid voor druksensoren is anders gedefinieerd. IEC 61298-2 stelt dat de nauwkeurigheid hysterese, niet-herhaalbaarheid en nietlineariteit moet omvatten. Om de totale meetfout te bepalen, wordt ook rekening gehouden met andere afwijkingen. Deze meetfouten worden normaal gedefinieerd als een percentage van het meetbereik (bijv. ±1 % van het meetbereik). Het bereik is gedefinieerd als het verschil tussen de minimale en maximale signaalwaarde. Het bereik van een 4-20 mA-signaal is bijvoorbeeld 16 mA.

Maximale meetfout

Een manier om nauwkeurigheid te definiëren is te kijken naar de maximale meetfout. De maximale meetfout is de maximale afwijking van de karakteristiek van de ideale lijn bij een bepaalde temperatuur.

Niet-lineariteit

De niet-lineariteit wordt aangeduid als de grootst mogelijke afwijking (positief of negatief) van de karakteristieke curve van een rechte referentielijn. Er bestaan verschillende methoden om de rechte referentielijn te bepalen. De terminale methode en de best passende rechte lijn (BFSL) zijn de meest gebruikte. Voor de eindmethode loopt de referentielijn langs het begin- en eindpunt van de karakteristieke curve. De BFSL-referentielijn wordt bepaald met de methode van de kleinste kwadraten. De terminalmethode resulteert meestal in een twee keer zo grote afwijking als de BSFL-methode. Bij het vergelijken van meetinstrumenten is het belangrijk om te controleren of dezelfde methode wordt gebruikt.

Hysterese

De karakteristieke curve wordt opgenomen door de druk geleidelijk te verhogen, gevolgd door een geleidelijke verlaging. De opname zal laten zien dat de lijnen voor drukverhoging en -verlaging niet precies overeenkomen. Het maximale verschil tussen deze twee curven wordt de hysteresis genoemd. Hysteresis wordt veroorzaakt door de elastische eigenschappen van het materiaal van het instrument en het ontwerp van het instrument zelf. Deze fout kan niet worden verminderd door de gebruiker. Als lagere hysteresisfouten nodig zijn, moet contact worden opgenomen met de fabrikant.

Nulpuntscompensatie en bereikfout

Het nulpunt en eindpunt van de uitgang kunnen verschillen van het nulpunt en eindpunt van de ideale lijn. De nul-offsetfout en de bereikfout zijn de afwijkingen tussen de werkelijke en ideale waarden van het nulpunt en eindpunt van het signaal.

Niet-herhaalbaarheid

Het uitgangssignaal voor opeenvolgende metingen van dezelfde drukwaarde is niet altijd precies hetzelfde. Deze variabiliteit of fout wordt de niet-herhaalbaarheid genoemd. Deze wordt gedefinieerd als de grootste afwijking tijdens drie opeenvolgende metingen onder constante identieke omstandigheden (IEC 61298-2), of eenvoudiger: het verschil tussen de laagste en de grootste waarde van de opeenvolgende uitgangssignalen. Een betrouwbaar instrument of betrouwbare sensor moet een kleine niet-herhaalbaarheid hebben.

Temperatuurfout

De temperatuur heeft een directe invloed op het uitgangssignaal. Temperatuurveranderingen beïnvloeden de elektronica van het meetinstrument. Als de temperatuur stijgt, neemt de elektrische weerstand van geleidende metalen toe, terwijl deze voor halfgeleiders afneemt. Bovendien zetten de meeste materialen uit als de temperatuur stijgt.

Tegenmaatregelen

Om de temperatuurfout te minimaliseren, balanceren fabrikanten de thermische eigenschappen. Deze compensatie gebeurt rechtstreeks op de sensor of elektronisch. De temperatuurfout kan niet volledig worden geëlimineerd. De restfout wordt meestal uitgedrukt als percentage van het volledige bereik voor een bepaald temperatuurbereik ten opzichte van een referentietemperatuur.

Temperatuurhysterese

Naast de temperatuurfout is er ook temperatuurhysterese. Temperatuurhysterese lijkt op normale hysterese, maar wordt hier veroorzaakt door een temperatuurstijging en -daling in plaats van drukveranderingen.

Afwijking op lange termijn

De karakteristiek van een meetinstrument is niet constant gedurende de levensduur. De eigenschappen zullen na verloop van tijd veranderen door mechanische en thermische invloeden. Deze langzame verandering van karakteristieken over een lange tijd wordt de langetermijndrift genoemd. Langetermijndrift wordt bepaald door testen. Aangezien verschillende fabrikanten verschillende testprocedures gebruiken, mag informatie over het verloop op lange termijn niet worden vergeleken. De tests worden uitgevoerd onder referentieomstandigheden. Dit kan aanzienlijke verschillen veroorzaken als de operationele omstandigheden afwijken van de referentieomstandigheden.