Dokładność i rozdzielczość

Author Date

Przy wyborze termometru często mylone są pojęcia rozdzielczość i dokładność. Postaramy się przybliżyć Ci te dwa proste, lecz związane ze sobą zagadnienia.

Co to jest dokładność?

Dokładność jest to cecha przyrządu, która określa stopień niepewności pomiaru mierzonej przez niego wielkości.

Stosowane są różne formy zapisu błędów pomiaru. Prowadzi to do pewnego utrudnienia przy porównywaniu parametrów różnych mierników temperatury.

Dwa podstawowe zapisy dokładności mają postać:
Δt ± (procentowy błąd wartości mierzonej temperatury)
Δt ± (procentowy błąd wartości pełnego zakresu miernika)

Częściej spotykanym zapisem jest zapis zawierający procentowy błąd wartości mierzonej. W tym przypadku stosuje się zapisy uwzględniające dodatkowo błąd rozdzielczości pola odczytowego.

Błąd całkowity ma postać:
Δt = ± (procentowy błąd wartości mierzonej + n ostatnich cyfr).

Stosowany jest również zapis np. w postaci: Δt = ± (procentowy błąd wartości mierzonej + 0,5°).

Taka forma wynika z przeliczenia błędu rozdzielczości na wartość wyrażoną w °C. Dla miernika o rozdzielczości 0,1° i 5-ciu ostatnich cyfr wartość błędu:
Δt = ± (procentowy błąd wartości mierzonej + 5 × 0,1°C) = ± (procentowy błąd wartości mierzonej + 0,5°).

Z powyższej zależności wynika, że mierząc wartości znajdujące się w dolnej części zakresu pomiarowego miernika udział błędu wynikającego z rozdzielczości jest znaczący.

Jeżeli wskazania mierników znajdują się w górnej części zakresu pomiarowego, to błąd wartości mierzonej zwiększa swój wpływ na końcowy wynik pomiaru.

Co to jest rozdzielczość?

Rozdzielczość to najmniejszy przyrost mierzonej wartości, który można odczytać na skali (wyświetlaczu) przyrządu. Dla termometru cyfrowego najczęściej jest to 1° lub 0,1°C. W przypadku bardzo dokładnych termometrów rozdzielczość wynosi 0,01°C. Rozdzielczość miernika ma wpływ na dokładność wskazań, gdyż przy małej rozdzielczości jesteśmy zmuszeni dokonywać zaokrągleń i nie możemy odczytać wartości z dużą precyzją.


Przy wyborze termometru powinniśmy brać pod uwagę rozdzielczość miernika temperatury i podane błędy rozdzielczości dla wartości, które będziemy mierzyć najczęściej. Wówczas błąd wynikający z rozdzielczości w mniejszym stopniu będzie wpływał na całkowity błąd przyrządu. Należy pamiętać, iż w termometrach cyfrowych często przełączenie zakresu pomiarowego odbywa się automatycznie i wiąże się to również ze zmianą rozdzielczości.

W przypadku termometrów cyfrowych elementem decydującym o rozdzielczości jest użyty przetwornik analogowo-cyfrowy. Najczęściej są to przetworniki 3½ lub 4½ cyfry. Przykładem termometru z przetwornikiem 4½ cyfry jest

YC RTD-126c

Inne czynniki wpływające na dokładność miernika temperatury

Podawane błędy przyrządów w specyfikacjach zwykle odnoszą się dla ustalonej temperatury otoczenia. Najczęściej jest to temperatura 23°C. W niektórych przypadkach producenci podają również tzw. błędy temperaturowe, które należy uwzględnić, gdy miernik znajduje się w temperaturze innej niż temperatura odniesienia. Częstym błędem popełnianym przez użytkowników termometrów jest wykonywanie pomiarów sprzętem, który przed chwilą znajdował się w innej temperaturze otoczenia. Układy kompensacji temperaturowej nie są w stanie w krótkim czasie zniwelować błędów wynikających z wpływu temperatury na elementy elektroniczne termometru. W każdym przypadku zalecane jest rozpoczęcie pomiarów po co najmniej 30-minutowej aklimatyzacji przyrządu.

Schemat

Oprócz błędów wynikających ze stosowania określonych elementów elektronicznych (rezystory, wzmacniacze, przetworniki AC, elementy łączeniowe) występuje grupa błędów wynikających z zewnętrznych zakłóceń oddziaływujących na przyrząd.

Istotnym czynnikiem mającym wpływ na dokładność jest stabilność w czasie. Wyróżniamy dwa pojęcia:
stabilność krótkoczasowa
stabilność długoczasowa

Praktyczne uwagi przydatne podczas wykonywania pomiarów temperatury metodą stykową termometrami cyfrowymi

Mierząc temperaturę termometrem musimy zdawać sobie sprawę, iż źródłem błędów będzie:

  • termometr cyfrowy,
  • tor pomiarowy (przewody połączenia),
  • czujnik pomiarowy.

Istotne czynniki mające wpływ na błędy termometru elektronicznego zostały już omówione na wcześniejszych stronach. W przypadku toru pomiarowego zaleca się stosować przewody ekranowane i odpowiednio uziemione do połączeń. Prawidłowy sposób wykonywania połączeń termopar i czujników PT-100 przedstawiono w artykule Wybór sondy temperaturowej. Czujniki termoelektryczne produkowane są w różnych klasach dokładności. Przykładowo dla czujników PT-100 w zależności od wykonania i zakresu temperatur klasy prezentują się następująco:

Klasa AA (1/3 DIN B) : t = (0.1 + 0.0017 x |t|)
Klasa A: t = (0.15 + 0.002 x |t|)
Klasa B: t = (0.30 + 0.005 x |t|)

Klasa AA w zakresie -50 – 250°C dla rezystorów drutowych, 0 – 150°C dla rezystorów cienkowarstwowych
Klasa A w zakresie -100 – 450°C dla rezystorów drutowych, -30 – 300°C dla rezystorów cienkowarstwowych
Klasa B w zakresie -196 – 600°C dla rezystorów drutowych, -50 – 500°C dla rezystorów cienkowarstwowych

W przypadku pomiarów temperatury metodą stykową zasadniczy wpływ na poprawność uzyskiwanych wyników pomiarowych ma sposób pomiarów czujnika z obiektem. Ważne, co jest tym obiektem:

  • cało stałe,
  • ciecz,
  • gaz.

Wprowadzenie czujnika pomiarowego w pole temperaturowe prowadzi do zakłócenia tego pola. Skutki zakłócenia mogą być różne. Najczęściej skutkuje to obniżeniem faktycznie mierzonej temperatury. Może także prowadzić do podwyższenia temperatury. Taki efekt wystąpi, gdy medium (gaz, czy płyn) znajduje się w szybkim przepływie.
Sonda temp. TP-04 Sonda temp. TPC-08

Istotne są właściwości badanego ciała:

  • Jeżeli przewodność cieplna jest duża (metale), to wpływ temperatur zakłócających jest nieznaczny. W przypadku powierzchni ciał niemetalowych mogą pojawić się istotne trudności, gdyż przewodność cieplna jest wielokrotnie mniejsza od przewodności metali.
  • Ważne są wymiary badanego ciała w stosunku do wymiarów czujnika temperatury.
  • Stan powierzchni ciała – opór cieplny może mieć duży wpływ na wynik pomiaru.

Dobrym rozwiązaniem w przypadku pomiarów stykowych jest stosowanie czujników przylgowych. Jeżeli termometr jest wyposażony w funkcję zapamiętywania wartości maksymalnej, to będzie to duże ułatwienie w pomiarach.

W miejscach, w których potrzebny jest ciągły pomiar temperatury stosuje się czujniki mocowane na stałe. Błędy przypadkowe praktycznie nie występują, a błędy systematyczne są łatwe do oszacowania i można je uwzględnić w analizie wyników pomiarowych.
Czujniki

Praktyczne uwagi przydatne podczas wykonywania pomiarów temperatury metodą bezstykową pirometrami

Duży wpływ na uzyskanie wyników przy metodzie bezstykowej jest właściwe określenie współczynnika emisyjności. Prawidłowo określony współczynnik emisyjności uzależniony jest od rodzaju materiału, stanu powierzchni, stanu skupienia, kąta obserwacji, użytej długości fali pomiarowej stosowanej przez pirometr. Istotne jest też poprawne określenie pola pomiarowego.

Obecność gazów, pyłów i innych zanieczyszczeń przyczynia się do powstania dodatkowych błędów pomiarowych. Wpływ zanieczyszczeń jest następujący:

  • część promieniowania jest pochłaniana,
  • same są źródłem promieniowania pasożytniczego, bezpośredniego i odbitego,

W przypadku materiałów niemetalowych i powierzchni niebłyszczących współczynnik emisyjności przyjmowany na poziomie 0,95 pozwala mierzyć temperaturę ze stosunkowo małym błędem pomiarowym.

W przypadku pomiarów powierzchni, błyszczących błędy pomiarowe mogą być znaczne. Pomiar wypolerowanej metalowej powierzchni przy ustawionym współczynniku emisyjności na wartość 0,1 oznacza, że do przyrządu dotrze tylko 10% energii promieniowania. Wartość zmierzona będzie uzależniona w dużej mierze od temperatury otoczenia, czyli elementów odbierających pozostałą energię (inne przedmioty, zanieczyszczenia).

Jest kilka metod umożliwiających zmniejszenie błędów pomiarowych wypolerowanych, błyszczących powierzchni metalowych:

  • Jeżeli jest to możliwe technologicznie należy zmatowić lub zaoksydować mierzoną powierzchnię,
  • Zastosować taśmę pomiarową lub lakier na badaną powierzchnię. Nakładane materiały powinny mieć odpowiednio wysoką temperaturę pracy,
  • Bardzo dobrą metodą jest zastosowanie tuby wziernikowej – sposób pomiaru temperatury pirometrem z tubą został przestawiony na poniższym rysunku:

Pomiaru temperatury pirometrem z tubą wziernikową

Skuteczną metodą określenia współczynnika emisyjności dla danego materiału o określonej powierzchni jest wykorzystanie termometru z sondą dotykową. Dla określonej temperatury zmierzonej takim termometrem ustawiamy potencjometrem emisyjność na taką wartość, by wskazania termometru i pirometru były identyczne. Ustaloną w ten sposób wartość współczynnika należy stosować przy pomiarach temperatury pirometrem.

Mierząc temperaturę powierzchni tworzyw sztucznych należy pamiętać, iż ich przepuszczalność uzależniona jest od długości fali pomiarowej. Długość fal, dla których przepuszczalność jest równa 0, jest różna dla różnych materiałów. Przepuszczalność tych materiałów zmniejsza się z ich długością. Mierząc temperaturę przepuszczalnych tworzyw sztucznych, szkła należy stosować pirometry o określonej długości fali pomiarowej.

Stosowanie pirometrów dwubarwnych zapewnia zmniejszenie błędów pomiarowych i skutecznie eliminuje wpływ zapylenia na wynik pomiaru.

Zasady zapewniania dobrej dokładności wykonywanych pomiarów temperatury

  • Wybrać miernik, który ma odpowiedni zakres pomiarowy.
  • Rozdzielczość pomiarowa powinna być w miarę możliwości największa dla typowych mierzonych wartości.
  • Zapewnić stabilne warunki otoczenia w czasie wykonywania pomiarów.
  • Miernik i sondy pomiarowe powinny być z dala od źródeł emitujących pole elektromagnetyczne.
  • Przestrzegać zasad prawidłowego łączenia określonego typu czujników z termometrem.
  • Zapewnić dobry kontakt czujnika z obiektem, którego temperaturę mierzymy.
  • Mierząc temperaturę pirometrem należy przestrzegać zasad opisanych w tym rozdziale.

Termometr YC-747