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Sensor

Presupuesto de Exactitud del Sensor

Calcula la exactitud total del sistema de sensor usando métodos RSS y caso peor a partir de errores de offset, ganancia, no linealidad, resolución y deriva térmica.

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Fórmula

eRSS=√(e12+e22+...+en2)e_RSS = √(e₁² + e₂² + ... + eₙ²)
e_WC— Peor de los casos: suma de todos los errores (% FS)
e_RSS— RSS: root-sum-square (% FS)

Cómo Funciona

La calculadora presupuestaria de precisión de los sensores calcula la incertidumbre total del sistema al combinar múltiples fuentes de error mediante métodos RSS o del peor de los casos, algo esencial para los ingenieros de instrumentación, los técnicos de calibración y los diseñadores de sistemas de medición. Un presupuesto de precisión del sensor analiza sistemáticamente todas las contribuciones al error: compensación (desplazamiento cero), error de ganancia/sensibilidad (desviación de pendiente), no linealidad (desviación de la curva ideal), resolución (cuantificación o nivel de ruido mínimo), histéresis (error dependiente de la trayectoria) y deriva de temperatura (cambio de parámetro con la temperatura). Según la nota técnica 1297 (GUM) del NIST, los errores se combinan de dos maneras: el peor de los casos (suma algebraica de errores absolutos) ofrece límites garantizados pero es conservador; el RSS (root-sum-square: e_total = sqrt (e1^2 + e2^2 +... + en^2)) trata los errores independientes estadísticamente y proporciona la precisión esperada típica. La guía ISO/IEC 98-3 recomienda el RSS para errores no correlacionados con un 95% de confianza (factor de cobertura k = 2). Los sensores industriales especifican la banda de error total (TEB) según la norma IEC 61298, que abarca todos los errores dentro del rango de temperatura de funcionamiento en una sola cifra (normalmente de +/-0,1 a +/ -1% de FS).

Ejemplo Resuelto

Problema: Elaborar un presupuesto de precisión para un sistema de medición de presión. Componentes: sensor Honeywell (+/ -0,25% FS TEB entre -40 y +85 °C), ADC AD7124 (+/-2 ppm en INL, error de ganancia de +/-1 ppm, desviación de +/-0,5 ppm/C), acondicionamiento de señal (precisión de ganancia de +/ -0,05%). La temperatura de funcionamiento es de +/- 30 °C desde el punto de cal de 25 °C.

Solución:

  1. Sensor TEB: e1 = 0.25% FS (incluye compensación, ganancia, no linealidad y deriva de temperatura)
  2. ADC INL: e2 = 2 ppm = 0,0002% FS
  3. Error de ganancia del ADC: e3 = 1 ppm = 0.0001% FS
  4. Deriva de temperatura del ADC: e4 = 0,5 ppm/C * 30 °C = 15 ppm = 0,0015% FS
  5. Ganancia del amplificador: e5 = 0.05% FS
  6. RSS total: e_RSS = sqrt (0,25^2 + 0,0002^2 + 0,0001^2 + 0,0015^2 + 0,05^2) = sqrt (0,0625 + 0,0025) = sqrt (0,065) = 0,255% FS
  7. Total en el peor de los casos: e_WC = 0,25 + 0,0002 + 0,0001 + 0,0015 + 0,05 = 0,302% FS
  8. Error dominante: sensor TEB (0,25%) >> todos los componentes electrónicos combinados (0,05%)
Resultado: la precisión del RSS es de +/ -0,26% FS; en el peor de los casos es de +/ -0,30% FS. El sensor TEB domina; la mejora del ADC o del amplificador tiene un efecto insignificante.

Consejos Prácticos

  • ✓Identifique primero el término de error dominante: reducirlo proporciona la mayor mejora del sistema; si domina la deriva de temperatura, agregar compensación de temperatura es más efectivo que actualizar la resolución del ADC según los principios de diseño del sistema de medición
  • ✓La calibración del sistema puede eliminar por completo los errores de compensación y ganancia a la temperatura de calibración, dejando solo la no linealidad, la resolución y la deriva de temperatura en el presupuesto posterior a la calibración; especifique siempre si la precisión es previa o posterior a la calibración
  • ✓Para comparar las hojas de datos, confirme si la precisión del fabricante incluye la temperatura (TEB) o solo es de 25 °C; algunos citan la precisión sin temperatura, lo que subestima el error real entre 2 y 5 veces

Errores Comunes

  • ✗Uso del peor de los casos para cada análisis: el peor de los casos para un presupuesto a 10 plazos puede ser entre 3 y 5 veces más alto que el RSS, lo que lleva a componentes costosos y sobreespecificados; reserve el peor de los casos para las aplicaciones críticas para la seguridad, según las directrices GUM del NIST
  • ✗Olvídese de la deriva de temperatura como un término independiente: por encima de un rango de operación de +/- 50 °C, una deriva del 0,01% de FS/C contribuye al 1% de FS, a menudo el error dominante; incluya siempre la temperatura en el presupuesto según la norma IEC 61298
  • ✗Tratar los errores correlacionados de forma independiente en el RSS: si ambos se compensan y ganan, ambos se desvían con la temperatura del mismo mecanismo físico, están correlacionados y deben agregarse directamente, no el RSS combinado; compruebe la correlación de errores antes de seleccionar el método

Preguntas Frecuentes

Utilice el peor de los casos para: aplicaciones críticas para la seguridad (dispositivos médicos según la norma IEC 62304, automoción según la norma ISO 26262), pruebas de homologación de tipo que requieran límites garantizados y cuando los errores estén correlacionados (por ejemplo, todos varían con la temperatura del suministro común). Utilice el RSS para: diseñar estudios de equilibrio en los que el rendimiento típico sea importante, seleccionar los componentes para cumplir los objetivos de costes y cuando los errores sean realmente independientes (sensores y ADC de diferentes mecanismos físicos). Según la nota técnica 1297 del NIST, el RSS con un factor de cobertura k=2 proporciona un intervalo de confianza del 95%.
La TEB es una especificación única que abarca todas las fuentes de error (compensación, ganancia, no linealidad, histéresis, deriva de temperatura) en todo el rango de temperatura de funcionamiento. Es la desviación máxima con respecto a la salida ideal en cualquier combinación de temperatura y presión; básicamente, se trata de un error total en el peor de los casos. La TEB es la especificación más útil para el diseño de sistemas porque lo incluye todo; no es necesaria una reducción adicional de la temperatura. Según la norma IEC 61298, se prefiere el TEB para los transmisores de presión industriales; Honeywell, Sensata y Bosch especifican el TEB para sensores industriales y de automoción.
El% FS (porcentaje de la escala completa) significa el mismo error absoluto en cualquier valor de medición; es el estándar para sensores industriales según la norma IEC 61298. El% de lectura significa que el error se escala con el valor medido (común en los DMM y los analizadores de potencia). Con un rango del 10%, un sensor FS del 1% tiene un error de lectura del 10%, mientras que un sensor de lectura del 1% solo tiene un error del 1%. Conversión: error absoluto = (% FS/100) * full_scale_range. Para un sensor de 0 a 1000 kPa, +/- 0,5% FS = +/-5 kPa en cualquier punto del rango.

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