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儀表測量性能及技術指标 [2015/8/28]

 

    輸配電網訊:測量儀表(液位計液位變送器)的質量通常用一個簡單的問題進行評估:測量精度如何?盡管這個問題看上去很簡單,但答案往往未必如此。選擇最适用的測量儀表就需要認識一下影響測量不确定性的一些因素。這樣反過來還可更深入了解該類儀表的技術指标所列出的信息以及未列出的信息。

    儀表測量的性能根據動态性(量程、響應時間)、準确度(重複性、精密度和靈敏度)以及穩定性(對老化及惡劣環境的容差)來進行評估的。其中,準确度(應該是最大允許誤差,經常被叫做精度)通常被視為最重要的質量因素,也是最難以确定的因素。
靈敏度與準确度
    測量輸出變化與标準值變化之間的關系稱為靈敏度。理想情況下這種關系呈現為完美線性,但在實際操作中所有測量均會存在某些瑕疵或不确定性。

    被測值與與标準值的一緻性通常簡單地稱為“準确度”,但這是一個略微模糊的術語。嚴格定義的準确度通常包括重複性。重複性指在測量條件不變的情況下,儀器在重複測量時能夠達到相似測量結果的能力(見圖1)。但是其可能包含也可能不包含濕滞、溫度依賴性、非線性和長期穩定性。重複性本身通常是測量不确定性的次要來源,如果精度規範不包含其它不确定性,則其可能會造成對實際測量性能的錯誤印象。

    測量值與已知标準值之間的關系往往被稱為傳遞函數。 請見圖2,當測量值調整時,這種關系也将根據已知校準基準進行微調。理想情況下,傳遞函數呈現為跨整個量程的完美線性,但在實際操作中大多數測量均會因被測量的大小不同而在靈敏度上發生一些變化。

這種類型的瑕疵被稱之為非線性。這種現象通常在量程的極限處比較突出。因此,核實精度規範是否包含非線性以及精度是否适用于全量程範圍非常必要。若非如此,那麼就有理由對接近極限值的測量精度表示懷疑。

    濕滞是指與被測變量變化方向有關的測量靈敏度變化。這可能是導緻某些濕度傳感器測量不确定的重要原因,而這些傳感器采用極易附着水分子的材料制造而成。如果規定的精度未标明是否包含濕滞,那麼造成這一測量不确定性的原因就會變得不明确。此外,如果校準順序僅按一個方向進行,濕滞的作用在校準過程中将不會顯示出來,而如果技術規範中忽略了濕滞,那麼也将無法掌握測量中的濕滞水平。維薩拉薄膜聚合物傳感器的濕滞幾乎可以忽略不計,并且始終在規定精度之内。

    溫度和壓力等環境條件也會對測量精度産生影響。如果溫度依賴性未确定而工作溫度變化劇烈,那麼可重複性可能就會受到影響。規定的技術指标規範既可能适用于全量程工作溫度,也可能适用于特定、有限或“常規”的工作溫度範圍。如果沒有明确的說明以這種方式表示的技術規範将在一定的溫度範圍處于無法确定的狀态。

    穩定性和選擇性

随着時間的推移,測量儀表的靈敏度可能會因老化而發生變化。在某些情況下這種作用可能會因受到化學品或其它環境因素的幹擾而加速。如果未确定長期穩定性,或者如果制造商無法提供常規校準周期的推薦值,那麼技術規範實際上僅代表了校準時間内的精度。靈敏度的緩慢變化(有時候被稱為漂移或蠕變)的危害在于其難以發現,且可能會導緻控制系統的潛在問題。

    選擇性可定義為儀表對于除實際被測量氣體以外其它因素變化的低靈敏度。例如,在含有某些化學成分的大氣中進行的濕度測量可能會受到影響,導緻測量值實際上會受到該化學成分的影響。此類影響可能為可逆的,也可能為不可逆的。其對某些化學品的響應可能會相當緩慢,而這種對化學品的交叉靈敏度很容易被誤認為漂移。具有良好選擇性的儀器不會受到除實際被測量氣體以外任何其它因素變化的影響。

    校準與不确定度

    如果測量讀數與标準基準出現偏差,可以對儀器的靈敏度進行校正。該過程被稱為調整。在單點上進行的調整稱為零點偏移校正;兩點調整則為針對零點偏移和增益(敏度)的線性校正。如必須要在多個點上對測量值進行調整,那麼可能會導緻測量的線性度較差,需要采用非線性多點校正對其進行補償。此外,如果調整點與校準點相同,那麼調整點之間的測量質量仍然無法得到驗證。

    當儀表(電容式液位計電容式液位變送器)經過調整之後,表明已通過校準對其精度進行驗證。校準有時候容易與調整混淆,校準是指将被測值與被稱為工作标準的已知基準進行比較。工作标準為可溯源鍊條中的第一環,它處于一系列校準和标準的最末端,并可追溯到原始的校準和标準。雖然許多根據特定标準進行校準的儀表可能彼此之間的準确度較高(高度精确),但如果無法确定校準的不确定度,那麼與原始标準的絕對精度則無法驗證。
    校準可溯源性表示一直到原始标準的測量、基準和相關不确定度鍊條已知且已經經過專業化記錄處理。這樣就可實現對校準标準不确定度的計算,并可确定儀表的精度。
怎樣才算“足夠精确”?

    在選擇測量儀表時,必然考慮所要求的精度水平。例如,在要求将相對濕度按人體舒适度調整的标準通風控制應用中,達到相對濕度為±5%的精度是合意的。但是在冷卻塔控制之類的應用中,需要更精确的控制和更微小的調節餘量才能實現更高的運行效率。
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