background image

Instrumentation system 

design

background image

Sources of error

• Insufficient knowledge of process 

parameters & design conditions

• Poor design
• Change in process parameters, 

irregularities, upsets etc.

• Poor maintenance
• Error caused by person operating the 

instrument or equipment

• Certain design limitations

background image

Dynamic characteristics

these are determined by subjecting its primary element to unknown 

and predetermined variations in the measured quantity 

• Common variation

– Step change: primary element is 

subjected to an  instantaneous & finite 
change in measured variable

background image

– Linear change: primary element is 

following a measured variable, changing 
linearly with time.

background image

– Sinusoidal change: primary element 

follows a measured, magnitude of which 
changes in accordance with a sinusoidal 
function of constant variable.

background image

Dynamic characteristics

• Speed  of  response  :  rapidity  with  which  an 

instrument responds to changes.

• Fidelity  :  degree  to  which  an  instrument 

indicates  the  changes  in  measured  value 

w/o dynamic error.

• Lag  :  retardation  in  the  response  of 

instrument to change

• Dynamic  error:  difference  b/w  true  value  of 

quan.  Changing  with  time  and  the  value 

indicated  by  the  instrument  (no  static  error 

is assumed) 

background image

Dynamic response

• Zero order instruments
• 1

st

 order instruments

• 2

nd

 order instruments

• Link: 

http://www.jgsee.kmutt.ac.th/exell/Prac

Math/Instruments.html

background image

General Instrument 

Response

The traditional way to investigate the dynamic 
response of an instrument is to consider the 
differential equation that describes the output. We 
assume that the instrument response can be 
modeled using a linear ordinary differential equation 
with constant coefficients

where y is the instrument output, x is the input, 
and n is the order of the 
instrument.

background image

Zero Order Linear 

Instrument

background image

First Order Instruments

• A first order linear instrument has an output which is given 

by a non-homogeneous first order linear differential equation

where  τ  (=  a1/a0)  is  the  time  constant  and  K  (=  b/a0)  is  the 

static gain.

• In these instruments there is a time delay in their response to 

changes  of  input.  The  time  constant  tau  is  a  measure  of  the 

time delay.

• Thermometers  for  measuring  temperature  are  first-order 

instruments.  The  time  constant  of  a  measurement  of 

temperature  is  determined  by  the  thermal  capacity  of  the 

thermometer  and  the  thermal  contact  between  the 

thermometer  and  the  body  whose  temperature  is  being 

measured.

background image

Response of a first-order instrument to a step change input 

versus nondimensional time.

background image

Second Order Instruments

• A second order linear instrument has an output which is given 

by a non-homogeneous second order linear differential equation

K(= b/a0) is again the static gain, ζ(= a

1

/2a

0

a

2

) is the damping 

factor, and ωn(=  a

0

 /a

2

) is the natural frequency. Under a static 

input a second order linear instrument tends to oscillate about its 
position of equilibrium. The natural frequency of the instrument is 
the frequency of these oscillations.

• Friction  in  the  instrument  opposes  these  oscillations  with  a 

strength  proportional  to  the  rate  of  change  of  the  output.  The 
damping factor is a measure of this opposition to the oscillations

background image

Response of a second-order instrument to a step 

change input for various damping factors.

background image

Statistical analysis

• Arithmetic mean
• Deviation from the mean
• Average deviation
• Standard deviation
• Limiting errors


Document Outline