Curva característica, histéresis, error de medición: terminología en tecnología de medición de presión

Curva característica, histéresis, error de medición: terminología en tecnología de medición de presión

Las primeras fuentes de datos para los usuarios de la tecnología de medición de presión son a menudo las hojas de datos suministradas por los fabricantes. Aquí suelen ser de particular interés los datos de precisión. En este contexto, aparecen una gran cantidad de términos cuya comprensión es de gran importancia en la valoración de ese instrumento de medida en particular.

Sobre el tema de la precisión , se puede afirmar fundamentalmente que el término en sí no está sujeto a ningún estándar definido. Sin embargo, este no es el caso de la terminología que surge en asociación con las especificaciones de precisión, incluida la curva característica, histéresis, no linealidad, no repetibilidad y error de medición. A continuación, explicaremos brevemente estos términos.

Curva característica

La curva característica indica la dependencia de la señal de salida (valor medido) de la señal de entrada (presión). En el escenario ideal, la curva característica será una línea recta.

No linealidad

La mayor desviación (positiva o negativa) de la curva característica de una línea de referencia se describe como no linealidad. La línea de referencia en sí se puede determinar mediante tres métodos diferentes : ajuste del punto final, línea recta de mejor ajuste (BFSL) y mejor ajuste hasta cero. Cada uno de estos métodos llega a resultados diferentes, siendo el ajuste del punto límite el método más utilizado en Europa. Aquí, la línea de referencia pasa por el punto inicial y final de la curva característica.

Error de medición

El error de medición, o desviación de medición, describe el cambio del valor mostrado del valor “correcto”. Este valor “correcto” es ideal, que en la práctica sólo se puede alcanzar con un dispositivo de medición de alta precisión en condiciones de referencia, como un patrón primario que se utilizaría en la calibración. El error de medición se expresa como un error absoluto o relativo. El error absoluto se muestra en las mismas unidades que el valor medido, mientras que el error relativo se refiere al valor correcto y permanece libre de unidades.

Errores de tramo y punto cero

En la producción de sensores, existen desviaciones del dispositivo de referencia (estándar). Las desviaciones de medición en los puntos inicial y final del rango de medición se denominan errores de punto cero y rango. Este último se relaciona con la diferencia entre los dos valores. El error de punto cero es la diferencia entre el punto cero ideal de la línea característica objetivo y el valor de salida real de la curva característica real.

El usuario puede leer fácilmente el error de punto cero en un estado sin presión. Para eliminarlo, el usuario debe ingresarlo como una compensación en la unidad de evaluación. La eliminación del error de rango es algo más difícil, ya que la presión al final del rango de medición debe aproximarse con precisión.

Histéresis

El valor medido mostrado depende no solo de la variable de entrada (aquí, presión), sino también de los valores medidos previamente a partir de la variable de entrada.

Si la curva característica del dispositivo de medición se registra con presión continuamente creciente y luego se compara con la curva característica a presión continuamente decreciente, se nota que las señales de salida, a pesar de presiones idénticas, no son exactamente idénticas. La desviación máxima entre estas dos curvas características se denomina histéresis y se expresa como un porcentaje de la escala completa (% FS).

No repetibilidad

Incluso cuando se miden en condiciones idénticas, los transmisores de presión electrónicos están sujetos a influencias estocásticas, por lo que la señal de salida no es idéntica a los mismos valores de presión en mediciones sucesivas. La mayor desviación en tres mediciones sucesivas tomadas desde la misma dirección de aproximación se expresa así como no repetibilidad. Un dispositivo de medición de presión confiable es reconocido por los usuarios por su no repetibilidad más baja posible.

De manera similar a la histéresis, la no repetibilidad no se puede compensar.

Error de temperatura

Los cambios de temperatura afectan directamente las características de un sensor de presión . La resistencia eléctrica de los semiconductores, tal como se utilizan en los transmisores de presión piezorresistivos, disminuye con el aumento de la temperatura, por ejemplo. Por lo tanto, los fabricantes optimizan sus productos mediante una característica térmica equilibrada. Los errores relacionados con la temperatura se compensan directamente en el sensor o se realizan electrónicamente. Algunos dispositivos también tienen un sensor de temperatura que compensa directamente estos errores relacionados con la temperatura. De todos modos, errores como este solo se pueden minimizar pero no eliminar por completo. Algunos fabricantes indican este error de temperatura residual como un coeficiente de temperatura.

Presión de sobrecarga – Sobrepresión

Los límites de error especificados se superan en el rango de sobrecarga. Sin embargo, el transmisor de presión no sufre daños duraderos.

Presión de rotura

La presión de ruptura indica la presión a la que se produce la deformación del transductor de presión, donde se daña mecánicamente.

Estabilidad a largo plazo

Las influencias externas afectan al instrumento de medición. Por esta razón, la curva característica no permanece constante durante años de uso. La estabilidad a largo plazo (también deriva a largo plazo) la determinan los fabricantes en condiciones de laboratorio y se enumeran en las hojas de datos como un porcentaje de la escala total por año.

Sin embargo, las condiciones de funcionamiento reales del dispositivo pueden diferir significativamente de las condiciones de prueba. Los procedimientos de prueba entre fabricantes también pueden variar ampliamente, lo que dificulta aún más la comparación de los datos. En general, se recomienda que el transductor de presión se calibre a intervalos regulares y, si es necesario, se ajuste.

Precisión: No conformidad de una curva

Como se mencionó al principio, la “ precisión ” no es un valor fijo. Otro término que se utiliza ocasionalmente para referirse a la precisión es la no conformidad de una curva. Describe el error total máximo según IEC 770 y comprende la desviación de linealidad y la histéresis, así como la no repetibilidad. Por lo tanto, es la desviación de la línea característica ideal en el valor final del rango de medición y se expresa como un porcentaje.

Descargue la infografía STS gratuita sobre el error total aquí:

La respuesta a la presión de los sensores de presión piezorresistivos

La respuesta a la presión de los sensores de presión piezorresistivos

Los sensores de presión piezorresistivos destacan por su alta sensibilidad. También en términos de precisión y miniaturización, surgen muchas ventajas sobre otros instrumentos de medición. En nuestro artículo de conocimientos, explicaremos la respuesta de presión de los sensores de presión piezorresistivos.

Los usuarios de transductores de presión piezorresistivos esperan una respuesta de presión lineal, en la que la señal de salida es proporcional a la presión aplicada. Por este motivo, la curva del diagrama presión-señal debe ser una línea recta, cuyo punto de partida está indicado por la posición cero y su sensibilidad por la pendiente. Sin embargo, la forma real de la curva de señal de presión, más o menos siempre, muestra una fuerte desviación de la línea ideal. Esta discrepancia se conoce como error de linealidad del sensor de presión. El gradiente de la curva, por otro lado, corresponde a su sensibilidad.

Podemos ver en la ilustración que se utiliza una parte virtualmente lineal de la curva cuando el sensor se usa a sensibilidades más bajas (aproximadamente el 70% de la presión nominal de viruta). Mediante la selección, los transmisores pueden construirse con una no linealidad muy baja (piense en 0,05% FS). Sin embargo, el requisito previo es que el rango operativo se encuentre dentro de la parte lineal del chip.

La sensibilidad de los sensores de presión piezorresistivos

La sensibilidad de un transductor de presión depende en gran medida de dos factores:

  • el valor resistivo de las resistencias semiconductoras difusas y su nivel de efectividad piezorresistiva,
  • el espesor del diafragma de silicio.

La mayor influencia sobre la respuesta a la presión reside en el grosor del diafragma de silicio. Esto se define por su procesamiento mecánico, químico o incluso combinado. Estos procesos no pueden controlarse con tanta precisión que todas las celdas de medición de presión muestren exactamente la misma sensibilidad. Se establecen así clases dentro de las cuales los sensores de presión se pueden utilizar para un rango de presión particular. Y dentro de estas clases, las sensibilidades pueden variar alrededor de ± 20%. Esta desviación en sí misma se puede compensar en la electrónica mediante la corriente de alimentación o el factor de amplificación (calibración).

La linealidad de los sensores de presión piezorresistivos

Debe tenerse en cuenta en las especificaciones de linealidad que el% FS (escala completa, valor final) se aplica principalmente. En términos de valor medido, el error puede tener un peso bastante significativo, incluso cuando la especificación del fabricante enumera un valor muy pequeño, aunque se muestra en% FS.

En las celdas de medición de presión, la linealidad depende de varios factores:

  • Las resistencias semiconductoras deben ser lo suficientemente pequeñas y estar difundidas en el punto exacto correcto del diafragma de silicio.
  • el diafragma de silicona debe estar limpio, con bordes afilados y en el lugar correcto,
  • la linealidad es variable, ya sea que se mida la presión positiva o negativa, es decir, si el diafragma se abulta en una forma cóncava o convexa (carga de tracción o compresión),
  • la relación de diámetro a espesor del diafragma de silicio debe estar dentro de un rango particular. Los diafragmas muy delgados se deformarán con el estiramiento superpuesto: este efecto de globo, en los transductores para rangos de presión más bajos, conduce a un curso típicamente en forma de S de la curva de linealidad (que no puede rectificarse mediante métodos de compensación analógica).
  • con diafragmas de silicio muy gruesos, la estructura prevista del diafragma, fijada rígidamente en sus bordes, ya no se puede lograr, ya que, por ejemplo, con un transductor de 1.000 bar, el diafragma tiene la mitad de grosor que el propio chip.

La sobrecarga y la presión de rotura de los sensores de presión piezorresistivos

El curso típico de una curva de linealidad es en su mayor parte bastante lineal y luego más aplanado. En aras de una señal de salida lo más amplia posible, se utiliza la mayor extensión posible de esta curva. Hasta alrededor de la marca de dos tercios, el curso es tan lineal que el error es inferior al 0,5% FS. Más allá de aquí, el error de linealidad se vuelve rápidamente más dominante de modo que se establece un límite de precisión. Aparte de los rangos de presión muy bajos y muy altos, el rango de presión nominal puede excederse típicamente alrededor del 50% antes de que falle la celda de medición.

Para aumentar la protección contra sobrecargas, debe abandonarse la idea de una señal eficaz amplia: debe emplearse un sensor de presión, que en sí mismo estaría destinado a un rango de presión más alto. Si bien, por ejemplo, se puede implementar un tope mecánico en sensores de presión capacitivos para que su membrana se deforme bajo presión y se garantice una protección de sobrecarga muy alta, esto es apenas posible con las membranas de silicio comparativamente diminutas de las celdas de presión piezorresistivas con sus deflexiones más mínimas.

En STS, la presión de ruptura se define como la presión a la que un medio puede entrar en el sensor y, por lo tanto, se destruye el diafragma metálico. Sin embargo, el transductor ya no funciona en este momento. Utilizando Sensores Sumergibles  las carcasas, conectores de cables y cables son definitivos. Los valores de presión de rotura del transductor en la hoja de datos son, por tanto, insignificantes.

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