Como é que se calcula a precisão de um sensor de pressão e qual é o erro total provável?
Como é que se calcula a precisão de um sensor de pressão e qual é o erro total provável?
Para calcular a exatidão de um transdutor de pressão, é necessário considerar tanto a exatidão de referência como o desempenho no local. O Erro Total Provável (TPE ) é obtido pela soma de incertezas como a exatidão do intervalo de medição calibrado, os efeitos da temperatura ambiente e os impactos da pressão estática.
No vasto mundo da engenharia de processos, a medição da pressão é a pedra angular de operações eficientes, seguras e fiáveis.
À medida que as tecnologias evoluem e as indústrias progridem, a necessidade de uma medição exacta da pressão torna-se cada vez mais importante.
Para engenheiros de manutenção, engenheiros de instrumentação e controlo e engenheiros de processos, navegar pelos meandros dos sensores de pressão pode, por vezes, ser como procurar uma agulha num palheiro.
Mas não se preocupe! Para obter um desempenho ótimo, é essencial compreender as nuances subtis que influenciam a precisão de um sensor.
Este artigo aborda o tema dos transdutores de pressão, para ajudar os engenheiros de manutenção a compreender como obter medições de pressão exactas.
Começamos por explorar a importância de definir a exatidão necessária para aplicações de processo específicas. Em seguida, vamos desvendar a diferença entre o desempenho no local e a exatidão de referência, destacando a razão pela qual esta distinção é crucial.
Mais adiante, iremos descodificar a multiplicidade de condições de funcionamento que um transdutor de pressão pode encontrar: desde temperaturas ambiente flutuantes a pressões estáticas variáveis, e os seus respectivos efeitos. O deslocamento zero, o deslocamento de gama e as suas ramificações cumulativas também serão discutidos.
Por fim, fornecemos-lhe uma metodologia completa para calcular o erro total provável de um sensor de pressão.
No final deste artigo, esperamos que esteja equipado com os conhecimentos necessários não só para selecionar o transdutor de pressão correto, mas também para garantir a sua precisão durante toda a sua vida útil. Vamos embarcar juntos numa viagem instrutiva!
Definir a precisão necessária da medição de pressão para aplicações e processos industriais
O primeiro passo é definir o desempenho exigido pela aplicação industrial para o ponto de medição de pressão.
O desempenho no local dos transdutores de pressão deve situar-se tipicamente entre 0,5% e 2,0% do intervalo calibrado, dependendo da aplicação. Os seguintes objectivos de desempenho são esperados, em média, para todas as classificações de serviço: segurança e eficiência da fábrica a 0,5%, controlo ambiental a 1,0%, sistema Scada e sistema de controlo distribuído a 1,5%, e sistema de monitorização da fábrica e otimização do processo a 2, 0%. Naturalmente, estas são apenas médias e alguns clientes terão expectativas mais altas ou mais baixas, dependendo das suas necessidades específicas. No entanto, estes valores dão uma ideia geral do nível de desempenho que os nossos clientes procuram.
Desempenho no local vs. precisão de referência
O desempenho no local não deve ser confundido com a exatidão de referência.
Existem dois conceitos distintos quando se trata de sistemas de medição:
Exatidão de referência :
É a exatidão de um sensor de pressão em condições específicas e controladas, normalmente em laboratório. Fornece um padrão ou referência com o qual o desempenho do sensor pode ser comparado. A exatidão de referência inclui os efeitos combinados da não-linearidade, histerese e não-repetibilidade sob estas condições definidas.
Desempenho no local :
Refere-se ao desempenho de um sensor ou sistema de medição em condições reais ou no ambiente a que se destina.
Vários factores podem influenciar o desempenho no local, incluindo variações na temperatura ambiente, o efeito da pressão estática, a estabilidade ao longo do tempo, a influência da tensão de alimentação, a posição de montagem e outros factores ambientais.
O desempenho no local pode diferir da exatidão de referência devido a estas influências externas.
Na prática, embora um sensor de pressão possa ter uma excelente precisão de referência em condições controladas, o seu desempenho no local pode variar em função das complexidades e imprevisibilidades do ambiente real. Por conseguinte, é essencial ter em conta estes dois factores ao avaliar ou utilizar um sensor de pressão para uma aplicação específica.
Definir as condições de funcionamento do sensor de pressão
A segunda etapa consiste em definir as condições de funcionamento às quais o dispositivo será exposto.
Efeito da temperatura ambiente
Dependendo da aplicação, os transmissores de pressão podem estar sujeitos a variações significativas da temperatura ambiente.
Por exemplo, se um sensor de pressão for utilizado no exterior, a temperatura ambiente pode variar entre -20°C e 60°C. Isto é muito diferente da utilização num laboratório onde a temperatura ambiente é estável e climatizada.
Efeito da pressão estática
O outro parâmetro a ter em conta é a pressão estática no processo.
No caso da medição da pressão diferencial, quanto maior for a pressão estática, menor será a exatidão. Para sensores de pressão absoluta e relativa, o efeito da pressão estática é zero.
Conhecer estes factores que podem influenciar a precisão permite-nos calcular o Erro Total Provável (TEP), que define a precisão do transdutor de pressão sob as condições de instalação da aplicação quando todas as fontes individuais de erro são combinadas. Este erro de desempenho total é a diferença entre o desvio de medição mais positivo e o mais negativo da pressão real. É calculado através da combinação de todos os erros possíveis dentro das condições de funcionamento da aplicação.
O valor do erro total provável é utilizado para definir o pior desempenho possível do transmissor de pressão instalado no local.
Efeito nos ajustes de zero e span
Factores como a temperatura ambiente e a pressão estática têm uma certa influência na precisão e no desempenho do sensor de pressão. Afectam tanto o ponto zero como a gama de medição definida dos transmissores de pressão, resultando em desvios de medição ou imprecisões.
Desvio de zero: O desvio de zero, muitas vezes referido simplesmente como "desvio de zero", refere-se à situação em que o ponto zero do sensor ou a medição de referência se desvia do seu zero real ou calibrado. Em termos simples, quando não há entrada (por exemplo, não é aplicada pressão), o transdutor deve indicar zero, mas se houver um desvio de zero, pode indicar um valor positivo ou negativo.
Desvio de gama: O desvio de gama, muitas vezes referido como "desvio de gama", refere-se à diferença entre as saídas máxima e mínima de um instrumento. A mudança de gama é uma alteração na sensibilidade ou no fator de escala do sensor de pressão.
Efeito total : Este efeito combina os efeitos do desvio do zero e do desvio da escala. O efeito total quantifica o desvio global ou o erro de leitura do instrumento devido aos dois desvios.
Como é que se calcula o erro total provável de um sensor de pressão?
Em primeiro lugar, determinámos a precisão necessária no local para a aplicação, determinámos os parâmetros de instalação que influenciam a precisão da nossa medição e a sua influência no desvio do zero e no desvio da escala.
O passo seguinte consiste em calcular o erro total provável utilizando as especificações disponíveis no sítio Web do fabricante do transdutor de pressão (especificações técnicas). Este cálculo é a soma das raízes quadradas das incertezas associadas à precisão de referência e aos factores de instalação, tais como a temperatura ambiente e o efeito da pressão estática.
O erro total provável do dispositivo inclui a exatidão de referência, o efeito da temperatura ambiente, o efeito da pressão estática e é calculado utilizando a seguinte fórmula TPE:
Erro total provável = ± √ ((E1)²+(E2)²+(E3)²)
E1 = Precisão nominal da escala calibrada ou precisão de referência E2= Efeito da temperatura ambiente E3 = Efeito da pressão estática
E1. Precisão nominal ou de referência
A exatidão nominal deve ser calculada na escala calibrada ou ajustada. A precisão de referência inclui os erros de incerteza máximos para histerese, não linearidade e não repetibilidade.
E2. Efeito da temperatura ambiente
Os sensores de pressão são calibrados no laboratório a uma temperatura ambiente estável. A temperatura ambiente no local de aplicação pode ser diferente. Esta temperatura tem influência nos componentes electrónicos do instrumento de medição, podendo resultar numa medição incorrecta. Os fabricantes de sensores de pressão, como a Fuji Electric, expressam geralmente este efeito em incrementos de 28°C.
E3. Efeito da pressão estática
Os erros de pressão estática podem ser causados por vários fenómenos no interior do sensor de pressão. Estes incluem a deformação de diafragmas metálicos sob pressão da linha e o equilíbrio dos volumes de óleo de enchimento. Os fornecedores geralmente definem a influência da pressão estática a cada 10 MPa de variação de pressão. Os efeitos da pressão estática num transdutor de pressão diferencial podem manifestar-se em desvios de zero e de amplitude. Este fenómeno é por vezes referido como o "efeito da pressão estática" ou o "efeito da pressão de linha".
Efeito sobre o zero :
Este é o desvio no sinal de saída do sensor quando não há pressão diferencial no transmissor, mas há pressão estática ou pressão de linha aplicada. Sugestão: O efeito no zero pode ser eliminado através da "colocação a zero" em condições de pressão estática, o que significa que o transmissor pode ser recalibrado ou ajustado sob pressão estática para que o seu ponto zero volte ao nível de referência correto. Isto compensa efetivamente os efeitos da pressão estática na leitura do zero.
Efeito na escala :
Esta é a alteração na gama de saída do transmissor devido à pressão estática ou à pressão da linha.
Exemplo de cálculo do erro de desempenho total de um sensor de pressão
Para o nosso exemplo, vamos considerar as seguintes condições de serviço para a nossa aplicação.
Gama de pressão diferencial Dp: 0-100 mbar
Gama de temperatura ambiente: 4 a 32°C, o delta é de 28°C
Pressão estática do processo: 69 bar
Desempenho aceitável (TPE): 0,2% do intervalo de medição
Assim, em primeiro lugar, vamos considerar o modelo certo para a gama de medição de pressão necessária e para as condições de funcionamento da aplicação, seguindo este guia de seleção de transdutores de pressão. O ajuste da escala deve ser definido o mais próximo possível do limite superior da gama de células do sensor para obter a melhor precisão. Para uma medição de pressão de 0-100 mbar, escolhemos o modelo FKC..33 que oferece a gama mais próxima de 0/320 mbar.
Transdutor de pressão diferencial Fuji Electric [FKC33...6]
Modelos
Limite de pressão estática MPa {bar}
Gamas de medição kPa {mbar} MIN
Gamas de medição kPa {mbar} MAX
Definições possíveis kPa {m bar}
FKC 11
-0,1 a + 3,2 {-1 a + 32}
0,1 {1}
1 {10}
±1 {±10}
FKC 22
-0,1 a + 10 {-1 a + 100}
0,1 {1}
6 {60}
±6 {±60}
FKC 33
-0,1 a + 16 {-1 a + 160}
0,32 {3,2}
32 {320}
±32 {±320}
FKC 35
-0,1 a + 16 {-1 a + 160}
1.3 {13}
130 {1300}
±130 {±1300}
FKC 36
-0,1 a + 16 {-1 a + 160}
5 {50}
500 {5000}
±500 {±5000}
FKC 38
-0,1 a + 16 {-1 a + 160}
30 {300}
3000 {30000}
±3000 {±30000}
FKC 43
-0,1 a + 42 {-1 a + 420}
0,32 {3,2}
32 {320}
±32 {±320}
FKC 45
-0,1 a + 42 {-1 a + 420}
1.3 {13}
130 {1300}
±130 {±1300}
FKC 46
-0,1 a + 42 {-1 a + 420}
5 {50}
500 {5000}
±500 {±5000}
FKC 48
-0,1 a + 30 {-1 a + 300}
30 {300}
3000 {30000}
±3000 {±30000}
FKC 49
-0,1 a + 30 {-1 a + 300}
500 {5000}
20000 {200000}
{+20000,-10000} {+200000,-100000}
A gama de medição calibrada é de 100 mbar O limite superior da gama de células do transmissor de pressão é de 320 mbar.
Precisão da gama de medição calibrada ou precisão de referência
Precisão: (incluindo linearidade, histerese e repetibilidade)
Para modelos de 32 kPa a 3000 kPa
EMA > 1/10 da escala máxima: ±0,065% da EMA ou ±0,04% da EMA como opção
EMR < à 1/10 de l’échelle maximale : ± (0.015 + 0.005 × Ech.max/EMR ) % de l’EMR
A melhor precisão de referência, incluindo erros de incerteza máxima para histerese, não linearidade e não repetibilidade, é de ± 0,04% da escala para o transmissor de pressão Fuji Electric FKC.
E1 = 0,04 % *100 E1= 0,04 mbar
Efeito da temperatura ambiente
Influência da temperatura
Os valores abaixo são dados para variações de temperatura de 28°C entre -40°C e +85°C.
Neste caso, estamos a considerar o desvio zero do efeito da pressão estática. E3 = ± 0,035*320% E3 = ± 0,112 mbar Podemos agora calcular o erro total provável.
Erro total provável (ETI)
Erro total provável = ± √ ((E1)²+ (E2)²+ (E3)²) E1= Precisão nominal da escala calibrada E2= Efeito da temperatura ambiente a 28°C E3 = Efeito da pressão estática a 6,9 MPa
A aplicação do processo exigia uma exatidão de ± 0,2% do intervalo. O sensor medirá uma pressão diferencial de 100 mbar em condições normais de funcionamento. O desempenho necessário do sensor no local será de ±0,5 mbar. Podemos concluir que o sensor de pressão diferencial Fuji Electric FKC é adequado para esta aplicação. Para completar a nossa análise do desempenho da pressão, podemos acrescentar um fator adicional que influencia a precisão da pressão no local.
Efeito de sobrepressão
A sobrepressão refere-se a uma situação em que a pressão excede a gama máxima calibrada do dispositivo de medição. Estas condições podem ocorrer em caso de acidente ou de uma situação anómala. A precisão dos sensores de pressão também é afetada pela sobrepressão. Os fabricantes de sensores de pressão, como a Fuji Electric, expressam geralmente este efeito em termos de pressão máxima de trabalho.
O efeito é duplicado para os materiais "H", "M", "T" (dígito 7 página 6 da especificação: Fuji Electric Differential Pressure Sensor - FKC).
E4 = ± 0,15*320% E4= ± 0,6 mbar Podemos agora calcular a precisão total, incluindo o efeito de sobrepressão da gama.
Precisão total = ± √ ((E1)²+(E2)²+(E3)²+(E4)2)
TA = SQRT ((0,04)^2+(0,135)^2+(0,112)^2+(0,6)^2) TA = 0,62639 mbar TA = 0,62639 % da amplitude
Descodificar a precisão: Navegar pelas nuances da precisão do sensor de pressão
A medição da pressão continua a ser um aspeto fundamental para garantir a eficácia e a segurança das operações no domínio da engenharia de processos. A sua precisão é primordial, dada a diversidade e complexidade das aplicações em diferentes sectores.
A exploração exaustiva dos transdutores de pressão neste artigo realçou a importância de compreender a precisão de referência e o desempenho no local, bem como os factores que influenciam estes parâmetros, incluindo os efeitos da temperatura ambiente, os impactos da pressão estática, as mudanças de zero e as mudanças de amplitude.
Através de uma explicação sistemática, revelámos como calcular o Erro Total Provável (TPE), tendo em conta várias incertezas, tais como a exatidão do intervalo calibrado, as influências da temperatura ambiente e os efeitos da pressão estática. O exemplo dado, que utiliza as especificações do sensor de pressão diferencial Fuji Electric FKC, simplifica ainda mais a aplicação prática deste conhecimento.
Essencialmente, ao selecionar um transdutor de pressão, é imperativo garantir que este não só cumpre os parâmetros de desempenho exigidos, mas que também resiste às condições variáveis do local, assegurando a sua precisão ao longo da sua vida operacional. Ao integrar as informações fornecidas, os engenheiros de manutenção e de processos podem, sem dúvida, tomar decisões mais informadas, melhorando a fiabilidade e a eficiência dos seus sistemas.
Medições de precisão com os sensores de pressão de classe de alto desempenho da Fuji Electric!
A tecnologia avançada de célula flutuante dos transdutores de pressão da Fuji Electric oferece uma elevada imunidade às variações de temperatura, pressão estática e sobrepressão normalmente encontradas na indústria de processos e reduz significativamente o erro global de medição.
Os transdutores de pressão da classe de alto desempenho da Fuji Electric da Fuji Electric foram concebidos para revolucionar a medição de pressão. São caracterizados termicamente durante o processo de fabrico para melhorar a precisão da referência e minimizar a influência da temperatura ambiente e da pressão estática.
Este processo único de caraterização térmica, conhecido como 4D gyration, permitiu que a célula do transmissor de pressão fosse caracterizada numa gama de temperaturas de -40 a +85°C.
Os dados são recolhidos durante o processo de fabrico, registando o deslocamento do zero e a amplitude a diferentes temperaturas, utilizando um processo de fabrico automatizado. É efectuado um algoritmo de ajuste de curva não linear para caraterizar o comportamento único do sensor de pressão.
Os dados de compensação são continuamente carregados em cada célula do transmissor de pressão durante este processo para compensar ativamente os efeitos do ambiente térmico. O resultado é uma exatidão de referência (incluindo histerese, não linearidade e não repetibilidade) inferior a +0,04% da escala completa nesta vasta gama compensada pela temperatura.
Elimine potenciais erros ao medir a pressão diferencial: poupe tempo e energia confiando num único instrumento concebido especificamente para medições precisas da pressão diferencial.
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