过程仪器(测量特性)

关于过程仪器的关键概念概述：测量精度(一种静态特征，用于标识在测量或监视中仪器的指示与被测物的特征之间的一致程度)、测量不确定度、计量确认和校准。

测量精度

测量精度是指:

• 根据ISO-IMV(国际计量词汇):“……双方协议的紧密程度。迹象或被测量的值通过复制测量在指定条件下的相同或类似物体上“;
• 根据IEC-IEV(国际电工词汇):“. .(注:在这种情况下，称其为“精度”而不是“精度”);
• 或者我们可以从以前的那些中推断出以下的实际定义：“通过在条件下测试测量仪器和指定的程序，从指定的特征曲线（通常是直线）的最大正和负偏差。

因此，线性的概念也是测量精度术语中固有的(目前在数字仪器中非常有限)，而迟滞的概念不包括在内(虽然这被考虑，因为它包括在发现的最大正和负偏差内)。

此外，测量的重复性的概念也不包括在内(这是在几个测量周期的精度验证情况下考虑的。

因此，在实际验证使用单个上下测量周期的测量仪器的精度时(通常用于具有迟滞的仪器，如压力表、压力传感器、称重传感器等)，得到的校准曲线如图1所示。在这里，我们可以推导出被测精度(被测精度)的概念，必须包括在所谓的标称精度(额定精度)或在其规格保证仪器不精度的范围内。

计量确认是对测量仪器长期保持测量过程所要求的精度和不确定度特性的验证。

根据国际参考词汇ISO-IMV和IEC-IEV，有时一些常用类型的仪器(如压力表、电阻温度计、热电偶等)的不精度概念也称为精度或精度等级:“类测量仪器或测量系统符合规定的计量要求测量误差或仪器测量的不确定性(即，测量的精度必须小于额定精度:参见图1)。

图1 -测量精度概念的示例

测量的不确定性

测量仪器的测量不确定度是一个新的概念，它不仅考虑了校准过程中所发现的误差或偏差，而且考虑了其指示的分辨率以及校准过程中所使用的测量标准的不确定度。

测量不确定度是指:

• 根据ISO-IMV（Internat。Metrology Pocabulary）：“非负参数表征分散的量的值归因于一个被测变量，根据所使用的资料”;
• 根据ISO-GUM(测量不确定度指南):“通常有一个给定的概率，即有一个确定的置信水平，确定一个被测物的真实值所在的场的振幅的估计的结果。”

从上面的定义，我们可以推断出两种基本的测量不确定性概念：

1. 不确定性是估计的结果，其根据以下两种类型进行评估：

• 类别:当评估是通过统计方法进行时，也就是通过一系列重复的观察或测量。
• B组:使用非统计方法进行评估时，即使用可以在手册、目录、规范等中找到的数据。

2.估计的不确定性必须以一定的概率给出，通常用下列三种表达式表示(另见表1):

• 标准的不确定性(u):在68%的概率或置信水平(确切地说是68.27%)。
• 结合不确定性(加州大学):当通过不同量的值获得估计结果时测量的标准不确定度，并且对应于与测量过程有关的各种量的标准不确定性的正交的求和。
• 扩展不确定度(U):不确定性在95%概率或置信水平(确切地是95.45%)，或2个标准差，假设一个正态或高斯概率分布。

标准不确定性U（x）(一) 测量结果的不确定度表示为标准偏差u(x)ºs(x) 键入评估（不确定性） 通过对一系列观测结果的统计分析来评价不确定度的方法 B类评价(不确定度) 不确定度的评定方法，不是通过对一系列观测结果的统计分析 组合标准不确定度uc(x) 测量结果的标准不确定度时,结果是来自其他一些数量的值,等于的正平方根之和计算,条件是这些其他量的方差和协方差加权根据测量结果随这些量的变化 覆盖率k 用作组合标准不确定度乘数的数值因子，以获得扩展不确定度(通常为@ 95%的概率为2，@ 99%的概率为3) 扩展不确定度U(y) = k。uc(y)(b) 量定义一个时间间隔测量的结果,可能会包含一个大比例的值,它可以合理地分配是由于被测变量(通常是通过合并后的标准不确定度乘以保险系数k = 2,即覆盖概率为95%)

(a)标准不确定度u (y)，即均方偏差s (x)，如果不是通过正态或高斯分布的实验检测，可以使用以下关系计算: u(x) = a/Ö3，对于矩形分布，变化幅度为±a，如指示误差 u(x) = a/Ö6，对于三角形分布，振幅为±a，如插值误差 (b)扩展测量不确定度U (y)除非另有规定，应理解为由覆盖系数2构成的不确定度提供或计算，即以95%的概率水平。

表1- ISO-GUM测量不确定度的主要术语和定义

计量确认

计量确认是确认测量仪器(或设备)保持的常规验证和控制操作精度和不确定性特征需要在一段时间内进行测量。

我们所说的计量确认是指根据ISO 10012(测量管理系统):"为实现计量确认和测量过程的持续控制所必需的一组相互关联或相互作用的要素"通常包括：

• 仪器校准和检定;
• 任何必要的调整和随后的新校准;
• 与设备预期用途的计量要求的比较;
• 标记成功阳性计量确认。

计量确认必须通过计量管理系统来保证，该系统主要涉及表1的各个阶段。

正常阶段	调整阶段	不可能调整的阶段
0.设备调度
1.校准识别需要
2.设备校准
3.校准文件的起草
4.校准标识
5.有计量要求。??
6.符合计量要求。	6个。调整或修理	6 b。调整是不可能的
7.起草文件确认	7个。复习间隔确认	7 b。消极的验证
8.确认状态识别	8a。重新校准阶段（2至8）	8 b。状态的识别
9.满足需要的	9个。满足需要的	9 b。不需要满足

表1 -计量确认的主要阶段(ISO 10012)
表1强调了三种可能的计量确认路径:

1. 无需将仪器调整至6期确认，通常能达到计量确认阳性结果满意的左路径;
2. 第1条左路，然后是第6a至9a相的中间路，在确认中仪器正调整或维修，重新校准满足确认要求时:因此，在这种情况下，只需减少确认间隔;
3. 从第6b阶段到第9b阶段，在确认过程中出现负调整或维修，不满足确认结果的情况下，必须将仪器降级或疏离。

计量确认通常可以通过两种方式完成和完成:
比较最大缓解误差(MRE)和最大容许误差(MTE)，即:
绝笔< = MTE
比较最大值。缓和不确定度(MRU)和容忍不确定度(MTU，即:
个系统< = MTU
参考前几篇文章，并结合校准部分，对压力计的误差和不确定度对校准结果的评价，分别等于:

• 绝笔:±5条
• 系统:066条

如果最大误差和容忍不确定度都是0.05 bar，那么根据MRE评价的压力计是顺应的，而如果根据MRU评价的压力计是不顺应的，因此它应该遵循表1的路径2，或路径3;如果它不被纳入其中，它就会被降级。

仪器校准

仪器校准是在指定条件下获得的操作，测量值的值与仪器的相应输出指示之间的关系。

我们所说的校准是指:

• 根据ISO-IMV(国际计量词汇):在特定的条件下，在第一步中建立量的值与测量的不确定性所提供的测量标准和相应的迹象与相关的测量不确定度和，在第二步，利用该信息建立关系，以获得测量结果从一个线索,”;
• 或者我们可以从前面的例子中推导出以下的实际例子:“在规定条件下，为建立测量量与仪器相应输出值之间的关系而进行的操作”。

校准不应与调整混淆，这意味着：“操作的集合测量系统所以它规定了迹象对应于给定值的数量待测(ISO-IMV)。

因此，调整通常是校准前的初步操作，或发现测量仪器的去校准时的下一个操作。

对于有迟滞现象的仪器，如压力计，应在3或5个等距测量点上进行校正，以增加(或减少)数值:

图1为校准设置，表1为校准结果。

图1 -压力计的校准设置

压力 的 参考 (酒吧) 松了一口气的价值观 了错误 马克斯 松了一眼 错误 (酒吧) 向上 (酒吧) 下来 (酒吧) 向上 (酒吧) 下来 (酒吧) 0 - - - - - - 0.05 - - - - - - 0.05 0.05 2 1.95 2.05 - 0.05 0.05 4 3.95 4.05 - 0.05 0.05 6 5.95 6.00 - 0.05 0.00 8 7.95 8.00 - 0.05 0.00 10 10.00 - - - - - - 0.00 - - - - - -

表1 - 校准结果

由表1所示的校准结果，可以得出压力计(或压力表)的计量特性为:

• 测量精度:即最大正、负误差:±0.05 bar
• 测量不确定性：或考虑与校准有关的各种因素的仪器不确定度，即:

我_裁判参考标准的不确定度0.01 bar(假定)
E_马克斯最大测量误差减轻0.05 bar
E_res测压仪分辨率的误差0.05巴
由其组成的不确定性u_c可以由以下关系导出:

在95%置信水平(即2个标准差)下的扩展不确定性(U):


笔记：
显然，压力计的测量不确定度(通常称为仪器不确定度)总是高于测量精度(因为它还考虑了仪器在校准时的分辨率误差和校准过程中使用的参考标准的不确定度)。

本文介绍了标准化的模拟气动信号（20至100kPa）和电信号（4到20 mA），以及创新的模拟和数字混合信号HART（高速公路可寻址远程传感器）以及当前数字的最新状态通信协议通常称为总线。

控制信号：模拟，混合，数字

模拟控制信号

传统最常用的传输信号类型有:

• 直流信号(表1):用于仪表之间的远距离连接(即现场区域)
• 直接电压信号(表2):用于仪表间短距离连接(即在控制室)

下限(马)	上限(马)
4 0	20. 20.
（1）优惠信号

表1-直流标准信号(IEC 60381-1)

下限 (V)	上限 (V)	请注意
1 - 10	5 5 10 + 10	(1) (1) (1) (2)
(1)由归一化电流信号直接导出的电压信号 (2)可以表示双极物理量的电压信号

表2-直流电压标准信号(IEC 60381-2)
与0(活零)不同的信号，为变量在测量范围的开始(真零)，用于电气仪器，以给仪器供电，通常强调连接损失(如在气动仪器)。

此外，鉴于其特点，现场仪表使用电流信号，而技术室和控制室仪表使用电压信号。

最后，相对于电压信号的电流信号具有不受长度影响的优点，因此连接线的阻抗至少达到一定的电阻值，如图1所示。

图1 - 在其连接电阻方面，现场仪器的操作区域的极限示例ω到电源电压V

关键:

• Vdc =以伏特为单位的实际供电电压
• Vmax=最大供电电压，本例为30v
• vmin =最小电源电压，在此示例中为10 V
• RL = Max。实际供电电压下负载电阻(欧姆):
• RL <=（VDC - 10）/ 0,02（在图1中报告的示例中）

混合动力控制信号

具有类比数字协议类型的混合信号是由制造商的财团标准化的“事实上”，如：

哈特(高速公路可寻址远程传感器),这套装置精确模拟信号归一化(4¸20 mA)数字信号调制的频率根据标准贝尔202,与马+ / - 0.5的振幅和频率发现在表3中,高频率的叠加信号,附加的能量几乎为零，因此这种调制不会对模拟信号造成任何干扰。

注意:记住，操作HART协议需要在输出电路中有250欧姆的电阻!

表3 - 具有信号标准化铃声的HART协议202

数字控制信号

20世纪90年代末，现场总线协议国际标准IEC 61158对数字信号进行了标准化，但由于它标准化了多达8个通信协议，而且每个数字协议的本质特征如下(见表4):

• 传输编码:前置、帧开始、帧传输、帧结束、传输奇偶校验等。
• 访问网络：概率，确定性等。
• 网络管理:主从，生产者消费者等。

协议 IEC. 61158	协议 名称	请注意
1 2 3. 4 5 6 7 8	标准IEC ControlNet 现场总线 P-Net. 现场总线基金会 SwiftNet WorldFip 旁路母线	(1)
(1)协议最初设计为唯一的标准协议IEC

表4 -由国际标准IEC 61158提供的标准化协议

最后，图2显示了测量信号从“现场”经过“技术室”到“控制室”的地理路径，在“技术室”进行分选(也称“编组”)，并对控制器(DCS)的电压信号中电流信号进行变换:集散控制系统)，然后通过数字信号流在“控制室”为操作员站和视频(HMI:人机界面)。

图2 - 从该字段到控制室的测量链的典型路径

仪器电源

• 用于气动仪器：用于气动仪器的140±10 KPA（1.4±0.1巴）（有时英文单位的标准化气动电源仍然使用：20 psi，对应于≈14bar）
• 电气仪表:连续电压:现场仪表用24v直流，交流电压:控制和技术室仪表用220v交流

测量和调节链中各种仪器之间的连接和传输信号由IEC（国际电工委员会）标准化：

• 气动信号(IEC 60382): 20至100 kPa(0.2至1.0 bar)(有时标准化信号仍然是英制单位:3至15psi，≈0.21至1.03 bar)
• 电气信号(IEC 60382):

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关于作者

作者:Dott。教授。亚历桑德罗·布鲁内利- 工业厂房仪器，自动化和安全教授

Cavaliere戴尔'Ordine Al Merito Della Repubblica Italiana（Omri N.9826 Serie VI）

作者“仪表手册(可在资讯科技下载):

• 第1部分：说明了工业仪器的一般概念，符号仪器，符号仪器，正常应用中仪器的功能和应用条件以及爆炸危险以及主要指令（ATEX，EMC，LVD，MID和PED）;
• 第2部分：本书的这一部分涉及测量物理量的仪器：压力，水平，流速，温度，湿度，粘度，质量密度，力和振动，以及化学量：pH，氧化还原，电导率，浊度，爆炸性，气相色谱和谱，处理测量原理，参考标准，实际执行，以及每种尺寸的应用优势和缺点;
• 第3部分:阐述了控制、调节和安全阀，然后是反馈中的简单调节技术，前馈中的协调、比例、串级、超驰、分流范围、间隙控制、变量解耦，然后是连续过程的分布式控制系统(DCS)。用于不连续过程的可编程逻辑控制器(PLC)和通信协议(BUS)，最后是与系统安全系统相关的方面，从操作报警到消防和气体系统，到ESD停止系统，最后到仪表安全系统(SIS)，安全完整性水平(SIL)的图形和分析测定和一些实际例子。

下载PDF -可追溯性和校准手册

您可以通过点击以下链接下载“仪器手册”(Brunelli, 2018-2019)的节选:

可追溯性与校准手册(过程仪器仪表)