Interpretar correctamente los valores de precisión para sensores de presión

Interpretar correctamente los valores de precisión para sensores de presión

En la búsqueda de un transmisor de presión adecuado, varios factores influirán. Mientras que algunas aplicaciones requieren un rango de presión particularmente amplio o una estabilidad térmica prolongada, para otras la precisión es decisiva. El término “precisión”, sin embargo, no está definido por estándares. Le ofrecemos una descripción general de los distintos valores.

Aunque la “precisión” no es una norma definida, se puede verificar a partir de valores relevantes para la precisión, ya que estos se definen en todos los estándares. Sin embargo, la forma en que se especifican estos valores relevantes para la precisión en las hojas de datos de varios fabricantes depende totalmente de ellos. Para los usuarios, esto complica la comparación entre diferentes fabricantes. Por lo tanto, todo se reduce a cómo se presenta la precisión en las hojas de datos y cómo interpretar estos datos correctamente. Un error del 0,5%, después de todo, puede ser tan preciso como el 0,1%; es solo una cuestión del método adoptado para determinar esa precisión.

Valores de precisión para transmisores de presión: descripción general

El valor de precisión más ampliamente aplicado es la no linealidad . Esto representa la mayor desviación posible de la curva característica de una línea de referencia dada. Para determinar esto último, hay tres métodos disponibles: Ajuste del punto final, Mejor ajuste en línea recta (BFSL) y Mejor ajuste hasta cero. Todos estos métodos conducen a resultados diferentes.

El método más fácil de entender es el ajuste del punto final. En este caso, la línea de referencia pasa por el punto inicial y final de la curva característica. El ajuste BSFL, por otro lado, es el método que da como resultado los valores de error más pequeños. Aquí la línea de referencia se posiciona de manera que las desviaciones máximas positivas y negativas sean iguales en grado.

El método Best Fit Through Zero, en términos de resultados, se sitúa entre los otros dos métodos. Por lo general, se debe consultar directamente cuál de estos métodos aplican los fabricantes, ya que esta información a menudo no se indica en las hojas de datos. En STS, generalmente se adopta la curva característica de acuerdo con el ajuste Best Fit Through Zero.

Los tres métodos en comparación:

El error de medición es el valor más fácil de entender para los usuarios con respecto a la precisión de un sensor, ya que se puede leer directamente de la curva característica y también contiene los factores de error relevantes a temperatura ambiente (no linealidad, histéresis, no repetibilidad, etc.). El error de medición describe la mayor desviación entre la curva característica real y la línea recta ideal. Dado que el error de medición devuelve un valor mayor que la no linealidad, los fabricantes no suelen especificarlo en las hojas de datos.

Otro valor de precisión también aplicado es la precisión típica . Dado que los dispositivos de medición individuales no son idénticos entre sí, los fabricantes establecen un valor máximo que no se superará. Por lo tanto, no todos los dispositivos lograrán la “precisión típica” subyacente. Sin embargo, se puede suponer que la distribución de estos dispositivos corresponde a 1 sigma de la distribución gaussiana (es decir, alrededor de dos tercios). Esto también implica que un lote de sensores es más preciso de lo indicado y otro lote es menos preciso (aunque no se excederá un valor máximo particular).

Por paradójico que parezca, los valores de precisión en realidad pueden variar en precisión. En la práctica, esto significa que un sensor de presión con un error del 0,5% en la no linealidad máxima según el ajuste del punto final es exactamente tan preciso como un sensor con un error del 0,1% de no linealidad típica según el ajuste BSFL.

Error de temperatura

Los valores de precisión de no linealidad, precisión típica y error de medición se refieren al comportamiento del sensor de presión a una temperatura de referencia, que suele ser de 25 ° C. Por supuesto, también hay aplicaciones donde pueden ocurrir temperaturas muy bajas o muy altas. Debido a que las condiciones térmicas influyen en la precisión del sensor, el error de temperatura debe incluirse adicionalmente. Puede encontrar más información sobre las características térmicas de los sensores de presión piezorresistivos aquí .

Precisión en el tiempo: estabilidad a largo plazo

Las entradas de precisión en las hojas de datos del producto proporcionan información sobre el instrumento al final de su proceso de producción. A partir de este momento, la precisión del dispositivo puede verse alterada. Esto es completamente normal. Las alteraciones a lo largo de la vida útil del sensor se suelen especificar como estabilidad a largo plazo. Aquí también, los datos se refieren a condiciones de laboratorio o de referencia. Esto significa que, incluso en pruebas exhaustivas en condiciones de laboratorio, la estabilidad a largo plazo declarada no se puede cuantificar con precisión para las condiciones reales de funcionamiento. Es necesario considerar varios factores: Las condiciones térmicas, las vibraciones o las presiones reales que se deben soportar influyen en la precisión durante la vida útil del producto.

Es por eso que recomendamos probar los sensores de presión una vez al año para verificar el cumplimiento de sus especificaciones. Es fundamental comprobar las variaciones del dispositivo en términos de precisión. Con este fin, normalmente es suficiente verificar el punto cero para ver si hay cambios mientras se encuentra en un estado sin presión. Si esto es mayor que las especificaciones del fabricante, es probable que la unidad esté defectuosa.

La precisión de un sensor de presión puede verse influenciada por una variedad de factores. Por lo tanto, se aconseja consultar previamente a los fabricantes: ¿En qué condiciones se debe utilizar el transmisor de presión? ¿Qué posibles fuentes de error pueden ocurrir? ¿Cómo se puede integrar mejor el instrumento en la aplicación? ¿Cómo se calculó la precisión especificada en la hoja de datos? De esta manera, en última instancia, puede asegurarse de que usted, como usuario, reciba el transmisor de presión que satisfaga de manera óptima sus requisitos en términos de precisión.

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 estabilidad a largo plazo de los sensores de presión

La estabilidad a largo plazo de los sensores de presión

Factores como la temperatura y la tensión mecánica pueden tener efectos negativos sobre la estabilidad a largo plazo de los sensores de presión. Sin embargo, los efectos pueden minimizarse mediante pruebas diligentes durante la producción.

Los fabricantes suelen indicar la estabilidad a largo plazo de sus sensores de presión en hojas de datos. El valor dado en estas hojas de datos se determina en condiciones de laboratorio y se refiere al cambio máximo esperado de punto cero y rango de salida en el transcurso de un año. Por ejemplo, una estabilidad a largo plazo de <0,1% FS significa que el error total de un sensor de presión puede deteriorarse en un 0,1 por ciento de la escala total en el transcurso de un año.

Los sensores de presión suelen tardar un tiempo en “asentarse”. Como ya se mencionó, el punto cero y la sensibilidad (señal de salida) son los principales factores que se mencionarán aquí. Los usuarios suelen notar cambios en el punto cero, ya que son fáciles de reconocer y ajustar.

¿Cómo se puede optimizar la estabilidad a largo plazo?

Para lograr la mejor estabilidad posible a largo plazo, lo que significa que solo se producen cambios menores durante la vida útil del producto, el elemento central debe ser el correcto: el chip sensor. Un sensor de presión de alta calidad es la mejor garantía para una funcionalidad óptima a largo plazo. En el caso de los sensores de presión piezorresistivos, este es el chip de silicio sobre el que se difunde el puente de Wheatstone. La base de un sensor de presión estable ya está puesta al comienzo del proceso de producción. Por lo tanto, una calificación diligente del chip de silicio es fundamental para la producción de sensores de presión con una gran estabilidad a largo plazo.

El montaje del sensor también es decisivo. El chip de silicio está pegado a una carcasa. Debido a los efectos de la temperatura y otras influencias, el chip pegado puede moverse y, por lo tanto, también afectar la tensión mecánica ejercida sobre el chip de silicio. La consecuencia son resultados de medición cada vez más inexactos.

La práctica ha demostrado que un sensor nuevo necesita algo de tiempo para estabilizarse realmente, especialmente durante el primer año. Cuanto más antiguo es un sensor, más estable es. Con el fin de mantener al mínimo los desarrollos no deseados y poder evaluar mejor el sensor, se envejece y se somete a algunas pruebas antes de que salga de producción.

La forma en que se hace esto varía de un fabricante a otro. Para estabilizar los nuevos sensores de presión, STS los trata térmicamente durante más de una semana. El “movimiento”, que suele ocurrir en el sensor durante el primer año, se anticipa en gran medida. Por tanto, el tratamiento térmico es una forma de envejecimiento artificial.

Imagen 1: Tratamiento térmico de celdas de medición de presión piezorresistivas

El sensor se somete a más pruebas para caracterizarlo. Esto incluye evaluar el comportamiento del sensor individual a varias temperaturas, así como un tratamiento de presión en el que el dispositivo está expuesto a la sobrepresión deseada durante un período de tiempo más largo. Estas medidas sirven para caracterizar cada sensor individual. Esto es necesario para poder hacer declaraciones fiables sobre el comportamiento del instrumento de medida a diferentes temperaturas ambientales ( compensación de temperatura ).

Por tanto, la estabilidad a largo plazo depende en gran medida de la calidad de la producción. Por supuesto, las calibraciones y los ajustes regulares pueden ayudar a corregir cualquier cambio. Sin embargo, esto no debería ser necesario en la mayoría de las aplicaciones: los sensores producidos correctamente funcionarán de manera realista durante mucho tiempo.

¿Qué importancia tiene la estabilidad a largo plazo?

La relevancia de la estabilidad a largo plazo depende de la aplicación. Sin embargo, es ciertamente de mayor importancia en el rango de baja presión. Por un lado, esto se debe al hecho de que las influencias externas tienen un efecto más fuerte en la señal. Pequeños cambios en la tensión mecánica del chip tienen un mayor efecto en la precisión de los resultados de la medición. Además, los sensores de presión producidos para aplicaciones de baja presión se basan en un chip de silicio cuyo grosor de membrana suele ser inferior a 10 μm. Por lo tanto, se requiere un cuidado especial aquí durante el montaje.

Imagen 2: Vista detallada de un chip de silicona bondend y pegado

A pesar de todos los cuidados, una estabilidad a largo plazo infinita y también una precisión es físicamente imposible. Factores como la histéresis de presión y la histéresis de temperatura no se pueden eliminar por completo. Son, por así decirlo, las características de un sensor. Los usuarios pueden planificar en consecuencia. Para aplicaciones de alta precisión, por ejemplo, la histéresis de presión y temperatura no debe exceder el 0.02 por ciento de la escala total.

También debe mencionarse que las leyes de la física imponen ciertos límites a la estabilidad a largo plazo de un sensor. Es de esperar desgaste en aplicaciones particularmente exigentes, como aplicaciones con altas temperaturas fluctuantes. Las altas temperaturas constantes superiores a 150 ° C eventualmente destruyen el sensor: la capa de metal, que sirve para contactar las resistencias del puente de Wheatstone, se difunde en el silicio y literalmente desaparece.

Por lo tanto, los usuarios que utilicen mediciones de presión en condiciones tan extremas o que exijan el más alto nivel de precisión deben analizar detenidamente las opciones con los fabricantes de antemano.

¿Error total o precisión?

¿Error total o precisión?

El tema de la precisión suele ser la consideración principal para los usuarios finales al comprar un transmisor de presión. Se trata de una variedad de terminología relevante para la precisión, que ya hemos explicado aquí . La precisión, sin embargo, es solo un aspecto parcial de otro concepto, el error total, que también aparece en las hojas de datos de los transmisores de presión. A continuación, explicaremos cómo debe entenderse esta designación en las hojas de datos y qué papel debe desempeñar en la selección del sensor de presión adecuado.

En primer lugar, se puede afirmar que la precisión no proporciona información sobre el error total. Esto depende de varios factores, como en qué condiciones se utiliza realmente el sensor de presión. Podemos ver en la Figura 1 los tres aspectos en los que se compone el error total: Errores ajustables, precisión y efectos térmicos.

Figura 1: Orígenes del error total

Como vemos en la ilustración anterior, el aspecto parcial del error ajustable consiste en el punto cero y los errores de tramo. La designación ‘error ajustable’ resulta del hecho de que los errores de punto cero y de tramo pueden identificarse y ajustarse fácilmente. Por lo tanto, estos son errores con los que los usuarios no necesitan vivir y, de hecho, ambos ya se han corregido de fábrica en sensores de presión de fabricación STS.

La estabilidad a largo plazo, también conocida como error a largo plazo o deriva a largo plazo, es la causa de los errores de punto cero y rango durante la operación. Esto significa que estos dos errores ajustables pueden reaparecer o incluso “empeorar” después de un uso prolongado del sensor. Por medio de la calibración y el ajuste posterior, esta deriva a largo plazo se puede corregir nuevamente. Lea más sobre calibración y ajuste aquí.

Exactitud

El aspecto parcial de la precisión también aparece en las hojas de datos bajo el término “desviación de la curva característica”. Esta falta de claridad conceptual se reduce al hecho de que el término “precisión” en sí mismo no está sujeto a ningún estándar definido por ley.

El término abarca los errores de no linealidad, histéresis (presión) y no repetibilidad (ver Figura 2). La no repetibilidad describe las desviaciones observadas cuando se aplica una presión varias veces consecutivas. La histéresis se refiere al hecho de que las señales de salida pueden diferir exactamente a la misma presión cuando se aborda desde una dirección “ascendente” y “descendente”. Ambos factores, sin embargo, son muy menores en los transductores de presión piezorresistivos.

La mayor influencia en la precisión y, por tanto, también en el error total, se reduce a la no linealidad. Esta es la mayor desviación positiva o negativa de la curva característica de una línea de referencia a presión creciente y decreciente. Lea más sobre la terminología aquí.

Figura 2: La mayor diferencia en la curva característica cuando la presión a medir se aproxima varias veces se denomina no linealidad.

Efectos térmicos

Las fluctuaciones de temperatura influyen en los valores medidos de un sensor de presión. También hay un efecto conocido como histéresis de temperatura. En general, la histéresis describe la desviación de un sistema cuando el mismo punto de medición se aproxima desde direcciones opuestas. En el caso de la histéresis de temperatura, esta histéresis describe la diferencia (error) de la señal de salida a una cierta temperatura cuando esa temperatura específica se acerca desde una temperatura más baja o más alta. En STS, esto generalmente se enumera a 25 ° C.

Puede encontrar más información sobre las características térmicas de los transductores de presión piezorresistivos aquí.

Figura 3: La apariencia típica de efectos térmicos en transmisores de presión.

¿Error total o precisión?

La pregunta importante que surge de estos diversos aspectos, por supuesto, es a qué deben prestar más atención los usuarios en la selección de sensores. Esto variará según el caso. Dado que el aspecto de los errores ajustables ya se ha corregido en la fábrica, esto juega solo un papel secundario. En este caso, el sensor, en general, debería recalibrarse y ajustarse después de un año de uso.

Al comprar un nuevo sensor, los aspectos duales de precisión y efectos térmicos ahora se vuelven decisivos. La pregunta clave en este contexto es: “¿Realizo mis mediciones de presión en condiciones controladas?” Esto significa que cuando los usuarios realizan sus mediciones cerca de la temperatura de referencia durante la calibración (típicamente 25 ° C), los efectos térmicos esencialmente pueden ignorarse. Sin embargo, la designación del error total se vuelve importante cuando la medición de presión se realiza en un amplio rango de temperaturas.

Por último, veremos una hoja de datos en el transmisor de presión piezorresistivo ATM.1st de STS (Figura 4):

Figura 4: Extracto de una hoja de datos (ATM.1st)

Las especificaciones técnicas del ATM.1st muestran tanto la precisión como el error total, donde las entradas de precisión se desglosan en sus respectivos rangos de presión. Los valores dados se derivan de la no linealidad, histéresis y no repetibilidad a temperatura ambiente. Los usuarios que deseen realizar mediciones en condiciones de temperatura controlada (temperatura ambiente) pueden orientarse hacia estos valores de precisión especificados.

El error total representado en la hoja de datos, por otro lado, incluye efectos térmicos. Además, el error total se complementa con las entradas de “típ.” y “máx.”. El primero de ellos describe el error total típico. No todos los sensores de presión son absolutamente idénticos y su precisión puede variar ligeramente. La precisión de los sensores corresponde a la distribución normal gaussiana. Esto significa que el 90% de los valores medidos en todo el rango de presión y temperatura de un sensor corresponden al valor designado en el error total típico. A esos valores medidos restantes se les atribuye el error total máximo.  

Descarga nuestra infografía gratuita sobre el tema: