Obvladovanje merjenja: Vaš najboljši vodnik po absolutnih, relativnih in polnih (%FS) napakah

Ste si kdaj ogledali specifikacijski list zaatlakoddajnik,apretokmeteraliatemperaturni senzorinSte videli postavko, kot je »Natančnost: ±0,5 % FS«? To je pogosta specifikacija, ampak kaj to v resnici pomeni za podatke, ki jih zbirate? Ali to pomeni, da je vsak odčitek znotraj 0,5 % dejanske vrednosti? Kot je razvidno, je odgovor nekoliko bolj zapleten in razumevanje te kompleksnosti je ključnega pomena za vse, ki se ukvarjajo z inženiringom, proizvodnjo in znanstvenimi meritvami.

Napaka je neizogiben del fizičnega sveta. Noben instrument ni popoln. Ključno je razumeti naravo napake, jo količinsko opredeliti in zagotoviti, da je znotraj sprejemljivih meja za vašo specifično uporabo. Ta priročnik bo razjasnil ključne koncepte.ofmerjenjenapakaZačne se s temeljnimi definicijami in se nato razširi na praktične primere in ključne sorodne teme, s čimer vas iz nekoga, ki samo bere specifikacije, spremeni v nekoga, ki jih resnično razume.

 

Kaj je merilna napaka?

V svojem srcu,merilna napaka je razlika med izmerjeno količino in njeno dejansko, dejansko vrednostjoPredstavljajte si to kot vrzel med svetom, kot ga vidi vaš instrument, in svetom, kakršen v resnici je.

Napaka = Izmerjena vrednost – Prava vrednost.

»Resnična vrednost« je teoretični koncept. V praksi absolutne resnične vrednosti nikoli ni mogoče poznati s popolno gotovostjo. Namesto tega se uporablja konvencionalna resnična vrednost. To je vrednost, ki jo zagotavlja merski standard ali referenčni instrument, ki je bistveno natančnejši (običajno 4- do 10-krat natančnejši) od preizkušane naprave. Na primer, pri kalibracijiročnitlakmerilnik, bi bila »konvencionalna resnična vrednost« pridobljena iz visoko natančnega,laboratorijske kakovostitlakkalibrator.

Razumevanje te preproste enačbe je prvi korak, vendar ne pove celotne zgodbe. Napaka 1 milimetra je pri merjenju dolžine 100-metrske cevi nepomembna, pri obdelavi bata za motor pa je katastrofalna napaka. Da bi dobili celotno sliko, moramo to napako izraziti na bolj smiseln način. Tukaj pridejo v poštev absolutne, relativne in referenčne napake.

Zbiranje treh pogostih merilnih napak

Razčlenimo tri glavne načine za kvantificiranje in sporočanje merilnih napak.

1. Absolutna napaka: surovo odstopanje

Absolutna napaka je najpreprostejša in najbolj neposredna oblika napake. Kot je opredeljeno v izvornem dokumentu, je to neposredna razlika med meritvijo in dejansko vrednostjo, izražena v enotah same meritve.

Formula:

Primer:

Pretok v cevi merite zrespretokof50 m³/h intvojmerilnik pretokabere50,5 m³/h, zato je absolutna napaka 50,5 – 50 = +0,5 m³/h.

Sedaj si predstavljajte, da merite drug proces z dejanskim pretokom 500 m³/h, vaš merilnik pretoka pa kaže 500,5 m³/h. Absolutna napaka je še vedno +0,5 m³/h.

Kdaj je uporabno? Absolutna napaka je bistvenega pomena med kalibracijo in testiranjem. Kalibracijski certifikat pogosto navaja absolutna odstopanja na različnih merilnih točkah. Vendar, kot kaže primer, temu manjka kontekst. Absolutna napaka +0,5 m³/h se zdi veliko pomembnejša pri manjšem pretoku kot pri večjem. Da bi razumeli ta pomen, potrebujemo relativno napako.

2. Relativna napaka: napaka v kontekstu

Relativna napaka zagotavlja kontekst, ki ga absolutna napaka nima. Izraža napako kot ulomek ali odstotek dejanske izmerjene vrednosti. To vam pove, kako velika je napaka glede na velikost meritve.

Formula:

Primer:

Ponovno si oglejmo naš primer:

Za pretok 50 m³/h: Relativna napaka = (0,5 m³/h / 50 m³/h) × 100 % = 1 %

Za pretok 500 m³/h: Relativna napaka = (0,5 m³/h / 500 m³/h) × 100 % = 0,1 %

Nenadoma je razlika veliko bolj očitna. Čeprav je bila absolutna napaka v obeh scenarijih enaka, relativna napaka kaže, da je bila meritev desetkrat manj natančna pri nižjem pretoku.

Zakaj je to pomembno? Relativna napaka je veliko boljši pokazatelj delovanja instrumenta v določeni delovni točki. Pomaga odgovoriti na vprašanje: "Kako dobra je ta meritev trenutno?" Vendar pa proizvajalci instrumentov ne morejo navesti relativne napake za vsako možno vrednost, ki jo lahko izmerite. Potrebujejo eno samo, zanesljivo metriko, ki zagotavlja delovanje njihove naprave v celotni njeni delovni zmogljivosti. To je naloga referenčne napake.

3. Referenčna napaka (%FS): Industrijski standard

To je specifikacija, ki jo najpogosteje vidite na podatkovnih listih: natančnost, izražena v odstotkihofPolnoLestvica (%FS), znana tudi kot referenčna napaka ali napaka razpona. Namesto primerjave absolutne napake s trenutno izmerjeno vrednostjo jo primerja s celotnim razponom (ali območjem) instrumenta.

Formula:

Merilno območje (ali razpon) je razlika med najvišjo in najnižjo vrednostjo, ki jo instrument lahko meri.

Ključni primer: Razumevanje %FS

Predstavljajmo si, da kupujeteaoddajnik tlakaznaslednje specifikacije:

• Območje: 0 do 200 barov

• Natančnost: ±0,5 % celotnega obsega

1. korak: Izračunajte največjo dovoljeno absolutno napako.

Najprej poiščemo absolutno napako, ki ji ustreza ta odstotek: največja absolutna napaka = 0,5 % × (200 barov – 0 barov) = 0,005 × 200 barov = ±1 bar.

To je najpomembnejši izračun, ki nam pove, da je ne glede na tlak, ki ga merimo, odčitek te naprave zagotovo znotraj ±1 bara od dejanske vrednosti.

2. korak: Oglejte si, kako to vpliva na relativno natančnost.

Zdaj pa si poglejmo, kaj pomeni ta napaka ±1 bar na različnih točkah območja:

• Merjenje tlaka 100 barov (50 % območja): Odčitek je lahko od 99 do 101 barov. Relativna napaka na tej točki je (1 bar / 100 barov) × 100 % = ±1 %.

• Merjenje tlaka 20 barov (10 % območja): Odčitek je lahko od 19 do 21 barov. Relativna napaka na tej točki je (1 bar / 20 barov) × 100 % = ±5 %.

• Merjenje tlaka 200 barov (100 % območja): Odčitek je lahko od 199 do 201 barov. Relativna napaka na tej točki je (1 bar / 200 barov) × 100 % = ±0,5 %.

To razkriva ključno načelo instrumentacije, da je relativna natančnost instrumenta najboljša na vrhu njegovega območja in najslabša na dnu.

Praktični nasvet: Kako izbrati pravi instrument?

Razmerje med %FS in relativno napako ima velik vpliv na izbiro instrumenta.Manjša kot je referenčna napaka, višja je splošna natančnost instrumenta.Vendar pa lahko natančnost meritev izboljšate tudi preprosto z izbiro pravilnega območja za vašo uporabo.

Zlato pravilo pri dimenzioniranju meritev je, da izberete instrument, pri katerem se vaše tipične obratovalne vrednosti nahajajo v zgornji polovici (idealno v zgornjih dveh tretjinah) njegovega celotnega območja skale. Poglejmo si primer:

Predstavljajte si, da vaš proces običajno deluje pri tlaku 70 barov, vendar lahko pride do konic do 90 barov. Razmišljate odvaoddajniki, oba z natančnostjo ±0,5 % FS:

• Oddajnik A: Območje 0–500 barov

• Oddajnik B: Območje 0–100 barov

Izračunajmo potencialno napako za vašo normalno delovno točko 70 barov:

Oddajnik A (0–500 barov):

• Največja absolutna napaka = 0,5 % × 500 bar = ±2,5 bara.

• Pri 70 barih se lahko vaš odčitek razlikuje za 2,5 bara. Vaša dejanska relativna napaka je (2,5 / 70) × 100 % ≈ ±3,57 %. To je pomembna napaka!

Oddajnik B (0–100 barov):

• Največja absolutna napaka = 0,5 % × 100 bar = ±0,5 bara.

• Pri 70 barih se lahko vaš odčitek razlikuje le za 0,5 bara. Vaša dejanska relativna napaka je (0,5 / 70) × 100 % ≈ ±0,71 %.

Z izbiro instrumenta z ustrezno "stisnjenim" območjem za vašo aplikacijo ste izboljšali natančnost meritev v resničnem svetu za faktor pet, čeprav sta imela oba instrumenta na svojih podatkovnih listih enako oceno natančnosti "%FS".

Natančnost v primerjavi z natančnostjo: ključna razlika

Za popolno obvladovanje merjenja je bistven še en koncept: razlika med natančnostjo in natančnostjo. Ljudje ta izraza pogosto uporabljajo kot sopomenki, vendar v znanosti in inženirstvu pomenita zelo različne stvari.

Natančnostiskakoblizu meritve pravi vrednostiNanaša se na absolutno in relativno napako. Natančen instrument v povprečju daje pravilen odčitek.

Natančnostiskakoveč meritev iste stvari je blizu druga drugiNanaša se na ponovljivost ali doslednost meritve. Natančen instrument vam vsakič da skoraj enak odčitek, vendar ta odčitek ni nujno pravilen.

Tukaj je ciljna analogija:

• Natančnost in preciznost: Vsi vaši streli so tesno združeni v središču bikovega očesa. To je idealno.

• Natančno, a nenatančno: Vsi vaši streli so tesno skupaj, vendar so v zgornjem levem kotu tarče, daleč od bikovega očesa. To kaže na sistematično napako, kot je na primer napačno poravnan daljnogled na puški ali slabo umerjen senzor. Instrument je ponovljiv, vendar vedno znova napačen.

• Natančno, a nenatančno: Vaši streli so razpršeni po vsej tarči, vendar je njihov povprečni položaj središče bikovega očesa. To kaže na naključno napako, kjer vsaka meritev nepredvidljivo niha.

• Niti natančno niti precizno: Streli so naključno razpršeni po tarči, brez doslednosti.

Instrument s specifikacijo 0,5 % FS trdi, da je točen, medtem ko je natančnost (ali ponovljivost) pogosto navedena kot ločena postavka v podatkovnem listu in je običajno manjša (boljša) številka od njegove natančnosti.

Zaključek

Razumevanje nians napak je tisto, kar loči dobrega inženirja od odličnega.

Skratka, obvladovanje merilnih napak zahteva prehod od osnovnih konceptov k praktični uporabi. Absolutna napaka zagotavlja surovo odstopanje, relativna napaka jo postavlja v kontekst trenutne meritve, referenčna napaka (%FS) pa ponuja standardizirano jamstvo za največjo napako instrumenta v celotnem območju. Ključni sklep je, da določena natančnost instrumenta in njegovo delovanje v resničnem svetu nista enaki.

Z razumevanjem, kako fiksna napaka v %FS vpliva na relativno natančnost na lestvici, se lahko inženirji in tehniki informirano odločajo. Izbira instrumenta z ustreznim območjem za uporabo je prav tako pomembna kot njegova stopnja natančnosti, saj zagotavlja, da zbrani podatki zanesljivo odražajo realnost.

Ko boste naslednjič pregledali podatkovni list in videli oceno natančnosti, boste natančno vedeli, kaj to pomeni. Izračunate lahko največjo možno napako, razumete, kako bo ta napaka vplivala na vaš proces na različnih delovnih točkah, in sprejmete premišljeno odločitev, ki zagotavlja, da zbrani podatki niso le številke na zaslonu, temveč zanesljiv odraz realnosti.

Kontaktirajte naše strokovnjake za meritve