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了解测量性能和技术规范

Jarkko Ruonala
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Jarkko Ruonala

产品经理

维萨拉

工业制造和工艺
工业测量

测量设备的质量通常通过一个简单的问题进行评估:测量有多准确?尽管这个问题看起来似乎很简单,但答案可能并非总是如此。选择合适的测量仪器仪表需要了解导致测量不确定性的因素。这反过来有助于了解技术规范中说明以及未说明的信息。

测量性能由其动态特性(测量范围、响应时间)、准确度(可重复性、精准度和灵敏度)以及稳定性(对老化和恶劣环境的耐受度)定义。其中,准确度通常被认为是重要的特性,也是难指定的特性之一。

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灵敏度和准确度

测量输出的变化与标准值的变化之间的关系称为灵敏度。理想情况下,此关系是完全线性的,但在实际中,测量都涉及一些瑕疵或不确定性。

Figure 1: Repeatability

Figure 2: Transfer Function

Figure 1: 测量值与标准值的一致性通常简称为“准确度”,但这是一个有点模糊的术语。指定的准确度通常包括可重复性,这是指仪表在恒定条件下重复进行测量时提供相似结果的能力(图 1)。不过,它可能包括也可能不包括湿滞、温漂系数、非线性和长期稳定性。单独的可重复性通常是测量不确定性的次要来源,如果准确度不包括其他不确定性,则实际测量性能可能会给人留下错误的印象。

Figure 2: 测量值和已知标准之间的关系通常被称为传递函数(图 2)。调整测量值时,根据已知校准标准,小范围调整测量值,对测量值和校准标准值之间的关系进行微调。理想情况下传递函数在整个测量范围内是完全线性的。但在实际中,大多数测量都涉及灵敏度的某些变化,具体情况取决于被测对象的量级。

Figure 3: Non-linearity

Figure 4: Hysteresis

Figure 3: 这种类型的瑕疵被称为非线性。(图 3)当处于测量范围的极限值时,这种瑕疵带来的影响通常会加重。因此检查准确度指标是否包含非线性以及是否为整个测量范围指定了准确度将会很有用。如果没有,则有理由怀疑极限值附近的测量准确度。

Figure 4: 湿滞是指测量灵敏度的变化,它取决于测量变量变化的方向。(图 4)对于与水分子牢固结合的材料制成的某些湿度传感器,这可能是产生测量不确定性的重要原因。如果指定的准确度未指示是否包含湿滞,则对应的测量不确定性来源将处于未指定状态。此外,如果仅在一个方向执行校准过程,则在校准期间将看不到湿滞效应,如果从技术规格中省略了湿滞,则无法知道测量中的湿滞水平。维萨拉薄膜聚合物传感器的湿滞可忽略不计,并且指定的准确度始终包含该湿滞。

温度和压力等环境条件也会影响测量的准确度。如果未指定温漂系数,并且操作温度发生了显著变化,则可能会影响可重复性。可以针对整个操作温度范围提供技术要求,也可以针对特定、有限或“典型”的操作范围来提供。以这种方式表示的技术规范不适用于其他温度范围。

稳定性和选择性

由于老化,测量设备的灵敏度可能会随时间而变化。在某些情况下,化学品或其他环境因素的干扰可能会加速这一效应。如果未指定长期稳定性,或者制造商无法建议典型校准间隔,则该技术规格实际上仅表示校准时的准确度。灵敏度的缓慢变化(有时称为漂移或蠕变)是有害的,因为它可能难以观察,并可能在控制系统中引起潜在问题。

选择性的定义是指仪器仪表对实际被测对象以外的因素变化的不敏感性。例如,在包含某些化学品的大气中执行的湿度测量可能会受到影响,影响测量的实际上是化学品。这种影响可能是可逆的,也可能是不可逆的。对某些化学品的响应可能非常缓慢,对化学品的这种交叉敏感性很容易与漂移混淆。具有良好选择性的仪表不受实际被测对象以外的其他因素变化的影响。

校准和不确定度

如果测量读数偏离标准参考值,则可以调整仪表的灵敏度。这种行为称为调整。对于单点上进行的调整可称为零点调整;两点调整是针对偏移和增益(灵敏度)进行的线性校正。如果必须在几个点上调整测量,这可能表明测量中的线性度很差,必须通过非线性多点校正进行补偿。此外,如果调整点与校准点相同,则调整点之间的测量质量仍将是未经验证的。

仪表经过调整后,将进行校准以验证其准确度。校准有时会与调整相混淆,前者是指将测量值与已知的标准参考值(称为工作标准)进行比较。工作标准是可溯源性链中的第一个要素,这种基本标准是以后一系列校准和参考标准的基础。鉴于根据特定参考校准的许多仪器彼此之间可能都是准确的(高精度),如果未指定校准不确定性,则无法验证相对于主要标准的绝对准确度。

校准的可溯源性是指主要标准之前的测量、参考和相关不确定性链是已知的,并且有专业文献参考。这样便可以计算校准参考的不确定性并确表仪器的准确度。

什么是“足够准确”?

选择测量仪表时,必需要考虑所需的准确度水平。例如,在标准通风控制应用中,会调整相对湿度以提高人体舒适度,在这种情况下,±5 %RH 是可以接受的。但是,在冷却塔控制这样的应用中,需要更精确的控制和更小的裕度以提高操作效率。

当将测量值用作控制信号时,可重复性和长期稳定性(精度)很重要,但相对于可溯源参考的绝对准确度则不那么重要。在动态过程中尤其如此。动态过程中的温度和湿度变化很大,此时至关重要的是测量的稳定性而不是绝对准确度。

另一方面,例如,如果测量的目的是验证某个实验室内部的测试条件是否与其他实验室具有可比性,则校准的绝对准确度和可溯源性至关重要。有关此准确度要求的示例,请参见标准《TAPPI/ANSI T402 – 纸张、纸板、纸浆手抄纸和相关产品的标准调节和测试环境》,其中将纸张测试实验室中的测试条件规定为 23 ±1.0 °C 和 50 ±2 %RH。1.5 %RH,但校准不确定性为 ±1.6 %RH,则相对于主要校准标准的总不确定性将超过技术规范,所进行的分析(在很大程度上取决于测试设施内的环境湿度)将没有可比性,并且将无法确认分析是在标准条件下进行的。

只有准确度规格而没有校准参考标准的不确定性信息等同于未定义仪表的绝对准确度。

维萨拉以提供基于国际标准、科学测试方法和经验数据的专业技术规格而倍感自豪。对于客户而言,这意味着他们可凭借全面而可靠的信息做出正确的产品选择。

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Figure 5: Comparison of accuracy information in specifications of three different brands of high-accuracy humidity transmitter

选择仪表时要问的问题

  • 指定的准确度是否包括可能的不确定性:可重复性、非线性、湿滞和长期稳定性?
  • 指定的准确度是否覆盖整个测量范围,或者准确度规格的范围是否有限制?技术规格中是否给出了温漂系数,或者准确度规格中是否定义了温度范围?
  • 制造商是否能够提供适当的校准证书?证书中是否包括有关校准方法、使用的参考和专业计算参考不确定性的信息?证书是否包括一个或两个以上的校准点,是否覆盖整个测量范围?
  • 是否给出了校准间隔建议,或者准确度规格中是否包括长期稳定性?预期操作环境中需要什么水平的选择性?制造商是否能够提供仪表对预期环境和应用的适用性的相关信息或参考?
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