Prosessimuuttujien tarkka esittäminen
Prosessimuuttujien tarkka esittäminen on tärkeää monesta syystä. Prosessin ja automaation turvallisuuteen, tuottoon, laatuun ja tehokkuuteen kaikkiin vaikuttaa mitatun arvon tarkkuus.
Sen takia on erityisen tärkeää, että prosessin ohjausjärjestelmien suunnittelussa ja toteutuksessa käytetään parhaan tarkkuuden omaavia komponentteja, jotka soveltuvat laajasti eri ympäristöolosuhteisiin.
Otetaan esimerkiksi lämpötilalähettimet.
Tarkka lämpötilanmittaus on turvallisuuden ja tehokkuuden perusta monissa teollisissa prosesseissa, kuten kemian-, teräs- ja lääketeollisuudessa sekä öljynjalostuksessa. Lämpötila-anturien, termoparien ja vastusanturien, erittäin heikkojen viestien takia, yleensä käytetään lämpötilalähetintä; sekä muuntamaan kulloinenkin mV- tai vastusarvo robustimmaksi 4–20 mA -viestiksi, että tarjoamaan parempi häiriöimmuniteetti.
Tärkeä tekijä prosessipiirin kokonaistarkkuuden kannalta, on lämpötilalähettimen tarkkuus anturiviestin muunnoksessa ja edelleen lähettämisessä.
Lämpötilalähettimen tarkkuuteen vaikuttavat monet ulkoiset ja sisäiset tekijät. Ulkoisia tekijöitä ovat mm. korkeataajuinen kohina, ympäristön lämpötila, jännitesyöttö ja indusoituvat häiriöt. Sisäisesti epälineaariset komponentit, laitteen lämpeneminen, tai sisäinen kohina vaikuttavat myös haitallisesti laitteen tarkkuuteen.
Lämpötilalähettimen mekaanisen ja sähköisen rakenteen laatu määrittelee, kuinka tehokkaasti nämä eri häiriötekijät voidaan poistaa ja toisaalta, kuinka tarkasti prosessiarvo esitetään.
Kaikki edellä mainitut tekijät vaikuttavat lämpötilalähettimen tarkkuuteen, ja siksi ne on sisällytettävä kaikkiin lähettimen tarkkuuslaskelmiin.
Joitakin näistä vaikutuksista käsitellään alla tarkemmin:
Lämpötilariippuvuus:
Kaikkiin elektronisiin laitteisiin vaikuttaa ympäristön lämpötilan (Tamb) muutos. Yleensä valmistajat kalibroivat laitteet huonelämpötilassa (+20 °C). Epätarkkuus on kuitenkin sitä suurempi, mitä enemmän ympäristön lämpötila poikkeaa kalibrointilämpötilasta.
Lämpötilariippuvuuskerroin (Tcoef) on termi, jota käytetään määrittämään tätä vaikutusta tarkkuuteen. Lämpötilariippuvuuskerroin voidaan esittää esimerkiksi muodossa: % alueesta/°C tai °C/°C.
 |
| Mittaustarkkuus muuttuu, kun ulkoinen lämpötila poikkeaa lämpötilasta, jossa laite on alun perin tehdaskalibroitu. |
| Esimerkki: Tcoef = 0.01 °C/°C, Tamb = 35°C, Cal = 20°C Tcoef = 0.01 x (35-20) = 0.15°C |
Mitä pienempi lämpötilariippuvuus, sitä tarkempi ja stabiilimpi lähetin on koko vaihtelevalla ympäristön lämpötila-alueella.
Lineaarisuusvirhe:
Esitetään normaalisti esimerkiksi muodossa ±0,1% alueesta. Tämä on lähettimen suurin virhemarginaali ideaalikäyrään verrattuna.
 |
| Lineaarisuusvirhe kertoo äärirajat, joiden puitteissa virtavirhe saa vaihdella. Virhe lisääntyy, kun mitataan korkeampia lämpötila-alueita. |
Epälineaarisuus ja toistettavuus kerrotaan normaalisti lämpötilalähettimen datalehden ja käyttöohjeen tarkkuusarvoissa.
Tyypilliset ja "worst case" -tarkkuudet:
Kun tarkkuutta testataan, yleensä vain testattavaa parametria muutetaan. Kaikki muut parametrit pidetään vakioina, jotta saadaan selvä kuva parametrin vaikutuksesta.
Tarkkuudet voivat poiketa negatiiviseen tai positiiviseen suuntaan ideaaliarvosta. Siksi tyypillinen tarkkuus lasketaan eri muuttujien neliöiden summana, esim.
Worst case -tarkkuus määrittelee poikkeamien yhteisvaikutuksen, kun oletetaan teoreettisesti kaikkien virhetekijöiden kasvavan samaan suuntaan suurimman virheen kanssa.
Laskentaesimerkki:
| Lämpötilatulo | Pt100 Ω |
| Lämpötila-alue | 0...150°C |
| Ympäristön lämpötila, Tamb | 35°C |
| Tarkkuus | <±0.18°C |
| Lämpötilariippuvuuskerroin, Tcoef | <±0.01°C/°C |
| Kalibrointilämpötila | 20°C |
| Lämpötilariippuvuuskerroin, Tcoef | = 0.01 x (35-20) = ±0.15°C |
Tyypillinen tarkkuus (kaavan mukaan):
Worst case -tarkkuus (kaavan mukaan):
*Muut epätarkkuudet, kuten jännitesyötön vaihtelu tai EMC-ilmiöiden vaikutukset, voidaan myös huomioida laskennassa, jos ne on ilmoitettu tuotetiedoissa.
|
|
Riippuen valmistajasta, tarkkuusmäärittelyt esitetään usein eri termein ja yksiköin. Siksi, eri laitteiden tarkkuusarvoja vertaillessa onkin tärkeää muuntaa tiedot identtisiksi termeiksi, luotettavan viitekehyksen luomiseksi.
PR electronics tarjoaa tunnetusti huipputarkkojen lämpötilalähettimien tuotevalikoiman, mukaan lukien älykkäät lämpötilalähettimet 5437 ja 6437, joissa on markkinoiden paras tarkkuus ja laajin tulotyyppien valikoima. |
