过程仪器(测量特性)

过程仪表的关键概念概述:测量精度测量不确定度、计量确认和校准。

测量精度

我们所说的测量精度是指:

• 根据ISO-IMV(国际计量词汇):“……双方协议的接近性迹象或被测量的值通过复制测量在规定的条件下，在相同或者类似物品上”;
• 根据IEC-IEV(国际电工词汇):“. .表征测量仪器提供接近被测量值的指示值的能力的质量(注:在这种情况下，不是精度，而是准确度);
• 或者我们可以从前面的定义推导出以下实用的定义:“…在条件和规定的程序下测试测量仪器，确定与规定的特征曲线(通常是一条直线)的最大正和负偏差”。

因此，线性的概念也包含在测量精度术语中(目前在数字仪器中非常有限)，而滞后的概念不包括在内(尽管这被认为是，因为它包含在发现的最大正和负偏差中)。

此外，测量的重复性的概念不包括在内(取而代之的是在几个测量周期的精度验证的情况下考虑。

因此，在对具有单一上下测量周期的测量仪器的精度进行实际验证时(通常对具有迟滞的仪器进行验证，如压力表、压力传感器、测压元件等)，可以得到如图1所示类型的校准曲线。我们可以推导出测试精度(测量精度)的概念，它必须包括在所谓的标称精度(额定精度)或仪器的不精度由其规格保证的范围内。

计量确认是指验证测量仪器在一段时间内保持测量过程所需的精度和不确定度特征。

有时，对于一些常见类型的仪器(如仪表、电阻温度计、热电偶等)，这种不精密的概念也被称为精密或精度级，根据国际参考词汇ISO-IMV和IEC-IEV:“阶级的测量仪器或测量系统符合规定的计量要求的测量误差或仪器测量的不确定性在规定操作条件下的规定限值内”（即，测量精度必须小于额定精度：另见图1）。

图1 -测量精度概念的范例

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，在校准过程中不仅要考虑到测量仪器所发现的误差或偏差，还要考虑到测量仪器的指示分辨率以及校准所用的测量标准本身的不确定度。

我们所说的测量不确定度是指：

• 根据国际标准化组织ISO-IMV (international。计量词汇):“非负参数描述的色散数量值归因于被测变量，根据所使用的信息”;
• 根据ISO-GUM(测量不确定度指南):“确定被测物真实值必须位于的场振幅的估计结果，通常具有给定的概率，即具有确定的置信水平”。

根据以上定义，我们可以推导出测量不确定度的两个基本概念:

1. 不确定性是一种估计的结果，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的，即通过一系列重复的观察或测量。
• B组:使用非统计的方法进行评估，即使用手册、目录、规格等中可找到的数据。

2.估计的不确定性必须以一定的概率给出，通常用以下三个表达式(另见表1):

• 标准的不确定性(u):概率或置信水平为68%(准确地说是68.27%)。
• 结合不确定性(加州大学):测量的标准不确定度是用不同量的值得到估计结果，并对应于与测量过程有关的不同量的标准不确定度的求积求和。
• 扩展不确定度（U）：不确定性在95%概率或置信水平(正好95.45%)，或2个标准差，假设一个正态或高斯概率分布。

标准不确定度u (x)（a） 测量结果的不确定度表示为标准偏差u（x）ºs（x） A型评价(不确定度) 通过一系列观测数据的统计分析评估不确定度的方法 B型评价(不确定度) 用一系列观测数据的统计分析以外的方法评定不确定度的方法 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 作为组合标准不确定性的乘数，以获得扩展不确定性(通常为2表示概率@ 95%，3表示概率@ 99%) 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)，如果不能通过正态分布或高斯分布的实验检测到，可以使用下列关系计算: u（x）=a/Ö3，对于矩形分布，变化幅度为±a，例如指示误差 u(x) = a/Ö6，对于三角分布，振幅变化±a，如插值误差 (b)扩展的测量不确定度U (y)，除非另有规定，应按提供的不确定度理解或由覆盖系数2组成的不确定度计算，即95%的概率水平。

表1- ISO-GUM测量不确定度相关的主要术语和定义

计量确认

计量确认是确认测量仪器（或设备）保持正常工作状态的例行验证和控制操作精度和不确定性特征随时间变化的测量过程所需。

通过计量确认，我们指的是根据ISO 10012(计量管理系统):实现计量确认和计量过程的持续控制所必需的一套相互关联或相互作用的要素。一般包括:

• 仪器校准与检定;
• 任何必要的调整及相应的新校正;
• 与设备预期用途的计量要求的比较；
• 成功的正面计量确认标签。

计量确认必须通过计量管理系统来保证，该系统本质上涉及表1中的各个阶段。

正常的阶段	调整时的阶段	无法调整时的阶段
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.确认状态标识	8个。重新校准阶段(2至8)	8b.识别状态
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途径:

1. 在第6阶段的确认中，通常不需要对仪器进行任何调整，即可达到计量确认积极结果的满足的左路径;
2. 确认中仪器正向调整或维修，且其重新校准满足确认时，则只需缩短确认间隔即可，从6a阶段至9a阶段的第一个左路径，然后是中间路径;
3. 从第6b阶段到第9b阶段的左侧和右侧的第一条路径，如果确认中的仪器出现负调整或维修，且不满足确认结果：因此必须降级或让渡该仪器。

计量确认通常可以通过两种方式来完成:
比较最大缓解误差（MRE）与最大容许误差（MTE），即：
绝笔< = MTE
比较最大值。缓解不确定度(MRU)与容许不确定度(MTU)，即:
个系统< = MTU
参考前面的文章，并结合校准的那篇文章，从压力计的误差和不确定度的角度来评价校准结果，分别等于:

• 绝笔:±5条
• 系统:066条

如果最大误差和容许不确定度均为0.05 bar，则按MRE评估的压力计是顺应性的，而按MRU评估的压力计是不顺应性的，因此它应遵循表1中的路径2或路径3;如果不符合，就会被降级。

仪器校准

仪器校准是在规定的条件下获得被测量值与校准中仪器的相应输出指示之间的关系的操作。

我们所说的校准是指:

• 根据ISO-IMV(国际计量词汇):在规定的条件下，在第一步建立关系的操作数量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，在第二步中，使用这些信息建立关系，以获得a测量结果从一个线索,”；
• 或者我们可以从前面的例子推导出下面的例子:“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:在…上执行的一组操作测量系统所以它提供了规定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de_校准时的下一个操作。

在仪器有迟滞现象的情况下，如压力计，应对3或5个等距测点进行校正以增加(或减少)值:

图1显示了校准设置，而表1显示了校准结果。

图1 -压力计的校准设置

压力 属于 参考 (酒吧) 松了一口气的价值观 了错误 马克斯 松了一口气 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

根据表1所示的校准结果，可以得到压力计(或压力表)的计量特性:

• 测量精度：即最大正负误差:±0.05 bar
• 测量的不确定性:或考虑与校准相关的各种因素的仪器不确定度，即：

我_裁判参考标准品的不确定度0.01 bar(假定)
E_马克斯最大测量误差消除0.05 bar
E_res压力计分辨率误差0.05 bar
不确定性u_c可以由以下关系式推导出:

然后扩展不确定性(U)，在95%置信水平(即2个标准差):


注意:
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品的不确定度)。

本文介绍了标准化的模拟气动信号(20至100 kPa)和电信号(4至20 mA)，以及创新的模拟和数字混合信号HART(公路可寻址远程传感器)和目前通常称为BUS的数字通信协议的现状。

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:

• 直流信号（表1）：用于远距离（即现场区域）仪器之间的连接
• 直流电压信号(表2):用于仪表之间的短距离连接(即在控制室)

下限(马)	上限(马)
4 0	20 20
(1)优惠的信号

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)能表示双极性质物理量的电压信号

表2-直流电压标准信号(IEC 60381-2)
不同于0(活零位)的信号用于测量范围开始时的变量(真零位)，用于电气仪器为仪器供电，一般用于突出连接损耗(如气动仪器)。

此外，鉴于电流信号的特点，在现场仪表中使用电流信号，而在技术和控制室仪表中使用电压信号。

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不超过某些电阻值，如图1所示。

图1 -现场仪表在连接电阻方面的操作区域的极限示例欧米茄为电源电压V

关键：

• Vdc =实际电源电压，单位为伏特
• Vmax=最大电源电压，本例中为30 V
• Vmin=最小电源电压，在本例中为10v
• RL = Max。实际供电电压下的负载电阻(欧姆):
• RL <= (Vdc - 10) / 0,02(在图1报告的示例中)

混合控制信号

模拟-数字协议类型的混合信号“事实上”由制造商联盟标准化如下:

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,增加的能量几乎为零，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 - HART协议与信号标准化BELL 202

数字控制信号

数字信号在20世纪90年代末通过关于现场总线协议的国际标准IEC 61158进行了标准化，但由于其标准化了多达8个通信协议，并且每个数字协议基本上具有以下特征，因此仍然没有得到太多应用（见表4）：

• 传输编码:序言、帧开始、帧的传输、帧的结束、传输校验等。
• 访问网络:概率的，确定性的，等等。
• 网络管理:主从、生产者-消费者等。

协议 IEC 61158	协议 的名字	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 InterBus	（1）
(1)最初设计为唯一标准协议IEC

表4–国际标准IEC 61158提供的标准化协议

最后，图2给出了测量信号从“场”经过“技术室”到达“控制室”的地理路径，在技术室进行分拣(也称“编组”)，并对控制器(DCS:然后通过数字信号流在“控制室”为操作台和视频(HMI:人机界面)。

图2 -测量链从现场到控制室的典型路径

仪器电源

• 气动仪表:140±10kpa(1.4±0.1 bar)气动仪表(有时仍使用正规化的英制气动电源:20psi，对应≈1.4 bar)
• 电气仪表：连续电压：现场仪表为24 V dc，控制和技术室仪表为220 V ac

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）（有时标准化信号仍采用英制单位：3至15 psi，≈ 0.21至1.03巴）
• 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-仪器仪表、自动化和工业设备安全教授

意大利共和国荣誉勋章(OMRI N. 9826 Serie VI)

》的作者仪表手册(资讯科技版):

• 第1部分:说明了工业自动化仪表的一般概念,符号学,术语和校准的测量仪器、仪表的功能和应用条件在正常的应用程序和爆炸的危险,以及主要的指示(ATEX、EMC、LVD、中期和PED);
• 第2部分:这本书的这一部分涉及测量物理量的仪器仪表:压力，水平，流速，温度，湿度，粘度，质量密度，力和振动，和化学量:pH值、氧化还原、电导率、浊度、爆炸性、气相色谱和光谱法，处理各种尺寸的测量原理、参考标准、实际执行情况和应用优缺点;
• 第3部分:说明了控制、调节和安全阀，然后是反馈和前馈协调、比例、级联、覆盖、分裂范围、间隙控制、变量解耦的简单调节技术，然后是连续过程的分布式控制系统(DCS)。用于不连续过程和通信协议(BUS)的可编程逻辑控制器(PLC)，以及与系统安全系统相关的方面，从运行报警到消防和燃气系统，到ESD停止系统，最后到仪表安全系统(SIS)，通过安全完整性水平(SIL)的图形和分析确定，并结合一些实际例子。

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“仪器仪表手册”(布鲁内利，2018-2019)的节选:

溯源和校准手册(过程仪表)