儀表性能指標(biāo)
概述
在工程式上儀表性能指標(biāo)通常用精確度（又稱精度）、變差、靈敏度來(lái)描述。儀表工校驗(yàn)儀表通常也是調(diào)校精確度，變差和靈敏度三項(xiàng)。變差是指儀表被測(cè)變量（可理解為輸入信號(hào)）多次從不同方向達(dá)到同一數(shù)值時(shí)，儀表指示值之間的最大差值，或者說(shuō)是儀表在外界條件不變的情況下，被測(cè)參數(shù)由小到大變化（正向特性）和被測(cè)參數(shù)由大到小變化（反向特性）不一致的程度，兩者之差即為儀表變差，如圖1-1-1如示。變差大小取最大絕對(duì)誤差與儀表標(biāo)尺范圍之比的百分比：
變差產(chǎn)生的主要原因是儀表偉動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙，運(yùn)動(dòng)部件的摩擦，彈性元件滯后等。取勝著儀表制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，特別 是微電子技術(shù)的引入，許多儀表全電子化了，無(wú)可動(dòng)部件，模擬儀表改為數(shù)字儀表等等，所以變差這個(gè)指標(biāo)在智能型儀表中顯得不那么重要和突出了。
靈敏度是指儀表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的靈敏程度，或者說(shuō)是對(duì)被測(cè)的量變化的反應(yīng)能力，是在穩(wěn)態(tài)下，輸出變化增量對(duì)輸入變化增量的比值：
靈敏度有時(shí)也稱"放大比"，也是儀表靜特性貼切線上各點(diǎn)的斜率。增加放大倍數(shù)可以提高儀表靈敏度，單純加大靈敏度并不改變儀表的基本性能，即儀表精度并沒(méi)有提高，相反有時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，造成輸出不穩(wěn)定。儀表靈敏度應(yīng)保持適當(dāng)?shù)牧俊?
然而對(duì)于儀表用戶，諸如化工企業(yè)儀表工來(lái)講，儀表精度固然是一個(gè)重要指標(biāo)，但在實(shí)際使用中，往往更強(qiáng)調(diào)儀表的穩(wěn)定性和可靠性，因?yàn)榛て髽I(yè)檢測(cè)與過(guò)程控制儀表用于計(jì)量的為數(shù)不多，而大量的是用于檢測(cè)。另外，使用在過(guò)程控制系統(tǒng)中的檢測(cè)儀表其穩(wěn)定性、可靠性比精度更為重要。
精確度
儀表精確度科稱精度，又稱準(zhǔn)確度。精確度和誤差可以說(shuō)是孿生兄弟，因?yàn)橛姓`差的存在，才有精確度這個(gè)概念。儀表精確度簡(jiǎn)言之就是儀表測(cè)量值接近真值的準(zhǔn)確程度，通常用相對(duì)百分誤差（也稱相對(duì)折合誤差）表示。相對(duì)百分誤差公式如下：
?。?-1-3）
式中δ-檢測(cè)過(guò)程中相對(duì)百分誤差；
（標(biāo)尺上限值-標(biāo)尺下限值）--儀表測(cè)量范圍；
Δx-絕對(duì)誤差，是被測(cè)參數(shù)測(cè)量值x1和被測(cè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值x0之差。
所謂標(biāo)準(zhǔn)值是精確度比被測(cè)儀表高3~5倍的標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)得的數(shù)值。
從式（1-1-3）中可以看出，儀表精度不僅和絕對(duì)誤差有關(guān)，而且和儀表的測(cè)量范圍有關(guān)。絕對(duì)誤差大，相對(duì)百分誤差就大，儀表精確度就低。如果絕對(duì)誤差相同的兩臺(tái)儀表，其測(cè)量范圍不同，那么測(cè)量范圍大的儀表相對(duì)百分誤差就小，儀表精確度就高。精確度是儀表很重要的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，常用精度等級(jí)來(lái)規(guī)范和表示。精度等級(jí)就是最大相對(duì)百分誤差去掉正負(fù)號(hào)和%。按國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定劃分的等級(jí)有0.005,0.02,0.05,0.1, 0.2,0.35,1.0,1.5,
2.5,4等，儀表精度等級(jí)一般都標(biāo)志在儀表標(biāo)尺或標(biāo)牌上，如 , ,0.5等，數(shù)字越小，說(shuō)明儀表精確度越高。
要提高儀表精確度，就要進(jìn)行誤差分析。誤差通?？梢苑譃槭韬稣`差、緩變誤差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。疏忽誤差是指測(cè)量過(guò)程中人為造成的誤差，一則可以克服，二則和儀表本身沒(méi)有什么關(guān)系。緩變誤差是由于儀表內(nèi)部元器件老化過(guò)程引起的，它可以用更換元器件、零部件或通過(guò)不斷校正加以克服和消除。系統(tǒng)誤差是指對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，所出現(xiàn)的數(shù)值大小或符號(hào)都相同的誤差，或按一定規(guī)律變化的誤差，可目前尚未被人們認(rèn)識(shí)的偶然因素所引起，其數(shù)值大小和性質(zhì)都不固定，難以估計(jì)，但可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法從理論上估計(jì)其對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。誤差來(lái)源主要指系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。在用誤差表示精度時(shí)，是指隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差之和。
任何儀表都有一定的誤差。因此，使用儀表時(shí)必須先知道該儀表的精確程度，以便估計(jì)測(cè)量結(jié)果與約定真值的差距，即估計(jì)測(cè)量值的大小。儀表的精確度通常是用允許的最大引用誤差去掉百分號(hào)(%)后的數(shù)字來(lái)衡量的。
模擬式儀表的精確度一般不宜用絕對(duì)誤差(測(cè)量值與真實(shí)值的差)和相對(duì)誤差(絕對(duì)誤差與該點(diǎn)的真實(shí)值之比)來(lái)表示，因?yàn)榍罢卟荒荏w現(xiàn)對(duì)不同量程儀表的合理要求，后者很容易引起任何儀表都不能相信的誤解。例如，對(duì)一只滿量程為100mA的電流表，在測(cè)量零電流時(shí)，由于機(jī)械摩擦使表針的示數(shù)略偏離零位而得到0.2 mA的讀數(shù)，若按上述相對(duì)誤差的算法，那么該點(diǎn)的相對(duì)誤差即為無(wú)窮大，似乎這個(gè)儀表是完全不能使用的:但在工程人員看來(lái)，這樣的測(cè)量誤差是很容易理解的，根本不值得大驚小怪，它可能還是一只比較精密的儀表呢! 模擬式儀表的合理精確度，應(yīng)該以測(cè)量范圍中最大的絕對(duì)誤差和該儀表的測(cè)量范圍之比來(lái)衡量，這種比值稱為相對(duì)(于滿量程的)百分誤差。例如某溫度計(jì)的刻度由-50℃~200℃，即其測(cè)量范圍為250℃，若在這個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，最大測(cè)量誤差不超過(guò)2.5℃，則其相對(duì)百分比誤差為:2.5/50+200=1.0%
按儀表工業(yè)規(guī)定，儀表的精確度劃分成若干等級(jí)，簡(jiǎn)稱精度等級(jí)，如0.1級(jí)、0.2級(jí)、0.5級(jí)、1.0級(jí)、1.5級(jí)、2.5級(jí)等。由此可見(jiàn)，精度等級(jí)的數(shù)字越小，精度越高。
復(fù)現(xiàn)性
（重復(fù)性）
測(cè)量復(fù)現(xiàn)性是在不同測(cè)量條件下，如不同的方法，不同的觀測(cè)者，在不同的檢測(cè)環(huán)境對(duì)同一被檢測(cè)的量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其測(cè)量結(jié)果一致的程度。測(cè)量復(fù)現(xiàn)性必將成為儀表的重要性能指標(biāo)。
測(cè)量的精確性不僅僅是儀表的精確度，它還包括各種因素對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響，是綜合誤差。以電動(dòng)Ⅲ型差壓變送器為例，綜合誤差如下式所示：
?。?-1-4）
式中e0-(25±1)℃狀態(tài)下的參考精度，±0.25%或±0.5%；
e1-環(huán)境溫度對(duì)零點(diǎn)（4mA）的影響，±1.75%;
e2--環(huán)境溫度對(duì)全量程（20mA）的影響，±0. 5%;
e3-工作壓力對(duì)零點(diǎn)（4mA）的影響，±0.25%;
e4--工作壓力對(duì)全量程（20mA）的影響，±0.25%;
將e0、e1、e2、e3、e4的數(shù)值代入式（1-1-4）得：
這說(shuō)明0.25級(jí)電動(dòng)Ⅲ變送器測(cè)量精度由于溫度和工作壓力變化的影響由原來(lái)的0.25級(jí)下降為1.87,說(shuō)明這臺(tái)儀表復(fù)現(xiàn)性差.它也說(shuō)明對(duì)同一被測(cè)的量進(jìn)行檢測(cè)時(shí),由于測(cè)量條件不同,受到環(huán)境溫度和工作壓力的影響,其測(cè)量結(jié)果一致的程度差.
若用一臺(tái)全智能差變送器代替上例中電動(dòng)Ⅲ型差壓變送器,對(duì)應(yīng)式(1-1-4)中的e0=±0.0625%,e1+e2=±0.075%,e3+e4=±0.15%,代入式(1-1-4)得e綜=±0.18%,要比電動(dòng)Ⅲ型差壓變送器e綜=±1.87%小得多,說(shuō)明全智能差壓變送器對(duì)溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償、抗環(huán)境溫度和工作壓力能力強(qiáng)。可以用儀表復(fù)現(xiàn)性來(lái)描述儀表的抗干擾能力。
測(cè)量復(fù)現(xiàn)性通常用不確定度來(lái)估計(jì)。不確定度是由于測(cè)量誤差的存在而對(duì)被測(cè)量值不能肯定的程度，可采用方差或標(biāo)準(zhǔn)差（鄧方差的正平方根）表示。不確定度的所有分量分為兩類：
A類：用統(tǒng)計(jì)方法確定的分量
B類：用非統(tǒng)計(jì)方法確定的分量
設(shè)A類不確定度的方差為si2（標(biāo)準(zhǔn)差為si），B類不確定度假定存在的相應(yīng)近似方差為ui2(標(biāo)準(zhǔn)差為（ui），則合成不確定度為：
?。?-1-5）
穩(wěn)定性
在規(guī)定工作條件內(nèi)，儀表某些性能隨時(shí)間保持不變的能力稱為穩(wěn)定性（度）。儀表穩(wěn)定性是化工企業(yè)儀表工十分關(guān)心的一個(gè)性能指標(biāo)。由于化工企業(yè)使用儀表的環(huán)境相對(duì)比較惡劣，被測(cè)量的介質(zhì)溫度、壓力變化也相對(duì)比較大，在這種環(huán)境中投入儀表使用，儀表的某些部件隨時(shí)間保持不變的能力會(huì)降低，儀表的穩(wěn)定性會(huì)下降。徇或表征儀表穩(wěn)定性現(xiàn)在尚未有定量值，化工企業(yè)通常用儀表零漂移來(lái)衡量?jī)x表的穩(wěn)定性。儀表投入運(yùn)行一年之中零位沒(méi)有漂移，相反儀表投入運(yùn)行不到3個(gè)月，儀表零位就變了，說(shuō)明儀表穩(wěn)定性不好。儀表穩(wěn)定性的好壞直接關(guān)系到儀表的使用范圍，有時(shí)直接影響化工生產(chǎn)，儀表穩(wěn)定性不好造成的影響往往雙儀表精度下降對(duì)化工生產(chǎn)的影響還要大。儀表穩(wěn)定性不好儀表維護(hù)量也大，是儀表工最不希望出現(xiàn)的事情。
可靠性
儀表可靠性是化工企業(yè)儀表工所追求的另一重要性能指標(biāo)?？煽啃院蛢x表維護(hù)量是相反相成的，儀表可靠性高說(shuō)明儀表維護(hù)量小，反之儀表可靠性差，儀表維護(hù)量就大。對(duì)于化工企業(yè)檢測(cè)與過(guò)程控制儀表，大部分安裝在工藝管道、各類塔、釜、罐、器上，而且化工生產(chǎn)的連續(xù)性，多數(shù)有毒、易燃易爆的環(huán)境，這些惡劣條件給儀表維護(hù)增加了很多困難，一是考慮化工生產(chǎn)安全，二是關(guān)系到儀表維護(hù)人員人身安全，所以化工企業(yè)使用檢測(cè)與過(guò)程控制儀表要求維護(hù)量越小越好，亦即要求儀表可靠性盡可能地高。
隨著儀表更新?lián)Q代，特別 是微電子技術(shù)引入儀表制造行業(yè)，使儀表可告性大大提高。儀表生產(chǎn)廠商對(duì)這個(gè)性能指標(biāo)也越來(lái)越重視，通常用平均無(wú)故障時(shí)間MTBF來(lái)描述儀表的可靠性。一臺(tái)全智能變送器的MTBF比一般非智能儀表如電動(dòng)Ⅲ變送器要高10倍左右，它可高達(dá)100~390年。
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