مرسل المستوى بالموجات فوق الصوتية: خطأ تعويض الحرارة

يؤدي تغير حرارة الهواء بمقدار 25 °C من دون تصحيح إلى تغير سرعة الصوت بمقدار 15 m/s وخطأ في المسافة قدره 4.2-4.4 %. يصحح مرسل المستوى فوق الصوتي هذا الأثر بقياس حرارة الهواء وإعادة حساب السرعة عند تحويل زمن الانتقال إلى مسافة. ويصح ذلك فقط إذا مثلت قراءة المسبار المسار كله؛ يسهل ذلك في المديات الداخلية القصيرة، بينما تحتاج المديات الخارجية الطويلة عادة إلى مسبار خارجي.

علاقة سرعة الصوت التي يستند إليها تعويض حرارة مرسل المستوى فوق الصوتي

يرسل مرسل المستوى فوق الصوتي نبضة نحو سطح السائل ويقيس زمن الصدى. المسافة d = c*t/2، حيث t زمن الذهاب والعودة وc سرعة الصوت في الغاز بين المحول والسطح. لا يقيس المرسل c بل يفترض قيمة لها. في الهواء الجاف عند 20 °C، تبلغ 343.4 m/s، والعلاقة الخطية المعتادة c = 331.4 + 0.6*T، حيث T بوحدة °C وc بوحدة m/s.

ينتج عن ذلك خطأ تناسبي بحت. كل تغير بمقدار 1 °C يغير c بمقدار 0.6 m/s، أي 0.17 % من 343.4 m/s، فتتغير قراءة مسافة 6.000 m بنحو 10.5 mm لكل °C إذا لم تجر أي تصحيحات. وعند فرق نهاري ليلي 25 °C، يبلغ ذلك 262 mm أو 4.4 % من المدى. يزيل التعويض الحراري هذه المساهمة تحديدا: تحول قراءة الحرارة إلى قيمة c مصححة، ويعاد حساب المسافة من زمن الانتقال. ولا تتحسن جودة الصدى أو المنطقة العمياء أو حالة السطح؛ إنما يتغير معامل تحويل المسافة وحده.

حساب خطأ المسافة عند تغير الحرارة بمقدار 25 °C

مثال محلول بقيم موقع مفترضة، لغرض التوضيح الحسابي وليس بيانات مقاسة ميدانيا. يعاير المرسل عند 20 °C، فيحتفظ بقيمة c = 343.4 m/s. المسافة الحقيقية 6.000 m. إذا بلغت حرارة هواء المسار 45 °C، فالسرعة الحقيقية 331.4 + 0.6 * 45 = 358.4 m/s، ويعود الصدى بعد t = 2 * 6.000 / 358.4 = 33.48 ms. يحسب المرسل غير المعوض d = 343.4 * 0.03348 / 2 = 5.749 m، فينقص تقدير المسافة بمقدار 0.251 m أو 4.2 %. أما 4.4 % المذكورة فهي التقريب الخطي 0.6 * 25 / 343.4 = 4.37 %؛ وتعتمد القيمة الدقيقة على اتجاه التغير لأن النسبة تنعكس.

عند تثبيت التحويل على 20 °C وسرعة 343.4 m/s، يكون خطأ المسافة -251 mm إذا كانت حرارة الهواء 45 °C، و+274 mm إذا كانت -5 °C؛ أما 262 mm فهو التقريب الخطي لفارق 25 °C محسوبا عند 20 °C.

هذه قيم محسوبة لهواء جاف عند 1 bar، وليست مواصفات للمنتج. تحقق من مجال الحرارة المعوضة والمنطقة العمياء في أحدث ورقة بيانات؛ وفوق نحو 40 °C يجب فحص المسار الصوتي والحدود المقننة للمحول معا.

يشترط الحساب هواء جافا ثابت التركيب عند 1 bar وحرارة موحدة على كامل المسار البالغ 6.000 m. تغير الرطوبة أو بخار المذيب أو ثاني أكسيد الكربون أو الضغط قيمة c بطرق لا يرصدها مسبار الحرارة؛ وإذا لم يكن الغاز هواء عاديا، فالعلاقة الخطية نفسها نموذج غير مناسب.

مسابير الحرارة الداخلية والخارجية

تحتوي معظم الوحدات المدمجة على مستشعر داخلي مثبت بالمحول أو الغلاف. لا يحتاج إلى أسلاك إضافية ويتابع حرارة الإلكترونيات جيدا، لذا يفعل التعويض الحراري عادة افتراضيا. لكن الغلاف لا يمثل المسار الصوتي. فقد ترفع مظلة معرضة للشمس حرارة الغلاف بمقدار 10 °C إلى 15 °C فوق حرارة الهواء داخل الخزان، فيطبق المرسل قيمة c غير مناسبة لمسار أبرد.

يقيس مسبار خارجي في حيز البخار، أو مرسل حرارة مستقل موصل بوحدة المستوى، حرارة الغاز الذي تعبره النبضة فعليا. وهذا ترتيب أفضل للخزانات الخارجية وأحواض التجميع المفتوحة وأي مسار صوتي طويل. لكنه يتطلب كابلا إضافيا ونقطة صيانة ثانية، وإبعاد المسبار عن الجدار وأشعة الشمس المباشرة وسطح السائل.

• المسبار الداخلي: بلا أسلاك إضافية، يتابع حرارة الغلاف وقد ينحرف تحت الشمس المباشرة.
• المسبار الخارجي: يمثل المسار الصوتي، ويتطلب كابلا وموضع تركيب.
• الوحدات المنفصلة: تحقق من استخدام المسبار والمعالج معامل التعويض نفسه.
• قارن القراءة الداخلية بقياس مستقل عند ثلاثة ارتفاعات؛ فرق يتجاوز 2 °C يجعل التصحيح من نقطة واحدة غير موثوق.

الخطأ المتبقي من التطبق الحراري على المسار الصوتي

يقيس مسبار واحد حرارة نقطة واحدة بينما تعبر النبضة عمودا قد يكون متطبقا. في صباح صاف، قد يكون الهواء على ارتفاع متر فوق حوض الصرف أدفأ بمقدار 5 °C من الهواء قرب السطح، وتضيف سحابة البخار غازا مختلفا. إذا اختلف متوسط حرارة المسار عن قراءة المسبار بمقدار dT، فالخطأ النسبي المتبقي نحو 0.6*dT / c. عند dT = 5 °C وحرارة 20 °C، يساوي 3.0 / 343.4 = 0.87 %، أو 52 mm على مدى 6.000 m، وهو أكبر من دقة ±10 mm التي تتوقعها مواقع كثيرة من جهاز معوض.

قد يقلل أنبوب التهدئة التدرج الحراري، لكن له شروطه: تجويف أملس، وتنفيس من الأعلى لمعادلة الضغط داخله وخارجه، ونهاية سفلية مغمورة أدنى من أقل مستوى مقاس. الأنبوب الأضيق من اللازم أو ذو درزة لحام يولد أصداء كاذبة لا يصلحها أي ضبط للحرارة. لذلك يصحح التعويض الحراري أثر حرارة الهواء الموحدة، لا التدرج ولا تغير الغاز ولا الفراغ. وإذا كان فرق 5 °C على المسار معتادا، فأدرج الخطأ المتبقي في ميزانية الخطأ.

التحول إلى الرادار عندما لا يكفي التعويض

لا تعتمد على المرسل فوق الصوتي إذا لم يكن الغاز فوق السائل هواء عاديا قرب الضغط الجوي. لا تستخدم الطريقة في وعاء مغلق يتغير ضغطه أو تركيب بخاره خلال الدورة، أو وعاء قابل للتفريغ، أو عند وجود رغوة مستمرة يزيد سمكها على نحو 0.1 m. فلا توجد في هذه الحالات سرعة صوت واحدة تصلح للتعويض، وقد يمتص الصدى أو يتشتت قبل عودته. وفي الفراغ لا ينتشر الصوت أصلا.

استخدم بدلا منه مرسل مستوى راداريا. لا تحتاج الموجات الكهرومغناطيسية إلى غاز لحملها، ولا يتأثر زمن انتقالها بحرارة الهواء أو الرطوبة أو التغيرات المعتدلة في الضغط. ويزيل ذلك مساهمة 0.6 m/s لكل °C كاملة من ميزانية الخطأ. قبل الشراء، تحقق من مسافة حجب الرادار في أحدث صفحة للمنتج، لأن منطقة الحجب القريبة قد تصبح قيدا آخر في المدى القصير. وتشرح مقالة فنية عن التحويل من الموجات فوق الصوتية إلى الرادار كيفية الاحتفاظ بالتركيب والكابل ومدخل 4-20 mA القائم عند تغيير مبدأ القياس.

توثيق التعويض أثناء التشغيل التجريبي

سجل التعويض بدلا من افتراض تفعيله. عند التسليم، سجل المسافة المرجعية المقاسة بشريط أو عاكس ثابت، والمسافة المبينة، وحرارة الهواء عند المحول ونقطة ثانية على المسار، ونمط التعويض المفعل ومعامله. كرر القياس في أبرد وأحر فترات اليوم؛ ويجب أن تتفق المسافتان ضمن حد خطأ الموقع بعد تطبيق التعويض. وإن لم تتفقا، فتحقق من التدرج أو تغير التركيب أو عطل المسبار قبل تعديل المدى.

• تحقق من تطابق معامل التعويض المضبوط مع الحساب: 0.6 أو 0.607 m/s لكل °C؛ وتأتي 0.607 من العلاقة الأشمل c = 331.3 * sqrt(1 + T/273.15).
• تحقق من المنطقة العمياء عند أعلى مستوى تشغيل، وهي عادة 0.25 m إلى 0.50 m بحسب المدى.
• راجع تدريج خرج 4-20 mA والمرجع بعد أي تغيير في إعداد التعويض.
• احتفظ بقراءتي ما قبل الضبط وما بعده، مع التاريخ وحرارة الهواء.

تجعل هذه السجلات التعويض الحراري قابلا للتدقيق. فمن دونها، لا يمكن التمييز بين قراءة مستقرة وتعويض خاطئ انحاز مصادفة في اتجاه واحد.

الأسئلة الشائعة

س1. هل يلزم دائما تعويض الحرارة لمرسل المستوى فوق الصوتي؟

نعم، في أي خزان منفس للجو تتغير حرارة هوائه بأكثر من بضع درجات. من دونه، يسبب تغير 25 °C انحرافا يقارب 262 mm على 6.000 m، متجاوزا كثيرا ±10 mm المسموحة لمعظم الحلقات. عطله فقط عند ثبات حرارة الغاز، مثل خزان داخلي في بيئة مضبوطة الحرارة.

س2. هل يصحح التعويض قراءة تتغير في الاتجاه المعاكس؟

لا. الخرج المعكوس مشكلة في التدريج أو الأسلاك. لا يغير التعويض إلا قيمة c في d = c*t/2؛ ولا يستطيع تغيير إشارة المستوى أو اتجاه 4-20 mA. راجع مسافة الخزان الفارغ والمدى واتجاه الخرج أولا.

س3. ما موضع المسبار الأفضل للتعويض في خزان خارجي؟

مسبار خارجي في حيز البخار، محمي من الشمس وبعيد عن الجدار. يتابع المستشعر الداخلي حرارة الغلاف، التي قد تزيد على حرارة المسار بمقدار 10 °C إلى 15 °C. قارن الاثنين عند ثلاثة ارتفاعات؛ فرق يتجاوز 2 °C يجعل التصحيح من نقطة واحدة غير موثوق.

س4. ما الخطأ المتبقي بعد التعويض لمسار 6.000 m ذي تدرج حراري 5 °C؟

نحو 52 mm، أو 0.87 % من المدى، من العلاقة 0.6 * 5 / 343.4. لا يمثل مسبار واحد عمود هواء متطبقا. قد يقلل أنبوب التهدئة التدرج، بشرط أن يكون أملس ومنفسا من الأعلى ومغمورا من الأسفل. أدرج الخطأ المتبقي في ميزانية الخطأ.

س5. متى يستبدل الجهاز بمرسل مستوى راداري؟

عندما لا يكون الطور الغازي هواء عاديا: أوعية مغلقة أو مفرغة، أو تركيب بخار متغير، أو طبقات مذيب ورغوة تزيد على نحو 0.1 m. لا توجد سرعة صوت واحدة للتعويض، وقد يمتص الصدى. يزيل الرادار مساهمة الحرارة، لكن يجب التحقق من مسافة حجبه.

س6. ماذا يتضمن سجل قبول الموقع؟

المسافة المرجعية والمبينة، وحرارة الهواء عند المحول ونقطة ثانية، ونمط التعويض المفعل، والمعامل، وقراءتي ما قبل الضبط وما بعده مع التاريخ. كرر القياس في أبرد وأحر فترات اليوم واحتفظ بالقراءتين في السجل.

ملخص

يزيل التعويض الحراري لمرسل المستوى فوق الصوتي خطأ تناسبيا متوقعا: تغير 25 °C غير المصحح يغير قراءة مسافة 6.000 m بنحو 262 mm أو 4.4 % من المدى، بينما تخفض العلاقة c = 331.4 + 0.6*T الخطأ إلى بضعة ملليمترات عندما يمثل مسبار واحد المسار. ويظل مسار متطبق بفارق 5 °C ينتج نحو 52 mm، فلا يشمل التصحيح التدرجات والرغوة والفراغ. والخطوة التالية تسجيل المعامل وموضع المسبار وزوج قراءات مرجعية في البرد والحر.