Ultradźwiękowy przetwornik poziomu: błąd kompensacji temperatury

Nieskompensowana zmiana temperatury powietrza o 25 °C zmienia prędkość dźwięku o 15 m/s i powoduje 4.2-4.4 % błędu odległości. Kompensacja temperatury ultradźwiękowego przetwornika poziomu usuwa ten błąd przez pomiar temperatury powietrza i ponowne obliczenie prędkości przy przeliczaniu czasu przejścia na odległość. Działa tylko wtedy, gdy odczyt sondy reprezentuje całą drogę fali. Przy krótkich odległościach w pomieszczeniach jest to łatwe; przy długich odległościach na zewnątrz zwykle potrzebna jest sonda zewnętrzna.

Zależność prędkości dźwięku od temperatury jako podstawa kompensacji

Ultradźwiękowy przetwornik poziomu wysyła pakiet impulsów w stronę powierzchni cieczy i mierzy czas powrotu echa. Odległość wynosi d = c*t/2, gdzie t jest czasem przejścia w obie strony, a c prędkością dźwięku w gazie między głowicą a powierzchnią. Przetwornik nie mierzy c, lecz przyjmuje określoną wartość. W suchym powietrzu przy 20 °C wynosi ona 343.4 m/s, a zwykle stosowana zależność liniowa to c = 331.4 + 0.6*T, gdzie T wyraża się w °C, a c w m/s.

Skutkiem jest wyłącznie błąd skali. Zmiana o 1 °C zmienia c o 0.6 m/s, czyli o 0.17 % wartości 343.4 m/s. Bez korekcji wskazanie odległości 6.000 m zmienia się więc o około 10.5 mm na °C. Dla dobowego wahania 25 °C daje to 262 mm, czyli 4.4 % zakresu. Kompensacja temperatury usuwa właśnie ten składnik: z odczytu temperatury wyznacza się skorygowane c i ponownie przelicza czas przejścia. Jakość echa, strefa martwa ani stan powierzchni nie ulegają poprawie; zmienia się tylko skala odległości.

Obliczony błąd odległości przy zmianie o 25 °C

Przykład obliczeniowy na podstawie założonych warunków obiektu (obliczenie poglądowe, a nie dane z pomiarów terenowych). Przetwornik skalibrowano przy 20 °C, dlatego stosuje c = 343.4 m/s. Rzeczywista odległość wynosi 6.000 m. Jeśli powietrze na drodze dźwięku ma 45 °C, rzeczywista prędkość wynosi 331.4 + 0.6 * 45 = 358.4 m/s, a echo wraca po t = 2 * 6.000 / 358.4 = 33.48 ms. Przetwornik bez kompensacji oblicza d = 343.4 * 0.03348 / 2 = 5.749 m i zaniża odległość o 0.251 m, czyli 4.2 %. Podane 4.4 % jest przybliżeniem liniowym 0.6 * 25 / 343.4 = 4.37 %; dokładna wartość zależy od kierunku zmiany, ponieważ stosunek ulega odwróceniu.

Przy niezmiennym przeliczaniu według kalibracji dla 20 °C i prędkości 343.4 m/s błąd odległości wynosi -251 mm przy temperaturze powietrza 45 °C oraz +274 mm przy -5 °C. Wartość 262 mm to liniowe przybliżenie różnicy 25 °C obliczone dla 20 °C.

Są to wartości obliczone dla suchego powietrza przy 1 bar, a nie parametry produktu. Sprawdź zakres kompensacji temperatury i strefę martwą w aktualnej karcie katalogowej; powyżej około 40 °C trzeba łącznie sprawdzić warunki toru akustycznego i dopuszczalne parametry głowicy.

Warunkiem stosowalności jest suche powietrze o stałym składzie przy 1 bar oraz jednakowa temperatura na całej drodze 6.000 m. Wilgotność, pary rozpuszczalników, dwutlenek węgla lub zmiana ciśnienia wpływają na c w sposób niewykrywany przez sondę temperatury. Jeśli gazem nie jest zwykłe powietrze, sama zależność liniowa stanowi niewłaściwy model.

Sondy temperatury wewnętrznej i zewnętrznej

Większość kompaktowych urządzeń ma czujnik wewnętrzny zamocowany do głowicy lub obudowy. Nie wymaga on dodatkowego okablowania i dobrze śledzi temperaturę elektroniki, dlatego kompensacja temperatury jest zwykle domyślnie włączona. Słabością jest różnica między temperaturą obudowy a temperaturą na drodze dźwięku. Pod nasłonecznionym zadaszeniem obudowa może być o 10 °C–15 °C cieplejsza niż powietrze w zbiorniku, więc przetwornik zastosuje niewłaściwe c dla chłodniejszego toru.

Sonda zewnętrzna w przestrzeni nad cieczą lub osobny przetwornik temperatury podłączony do poziomomierza mierzy temperaturę gazu, przez który rzeczywiście przechodzi impuls. Jest to lepszy układ dla zbiorników zewnętrznych, otwartych studzienek i długich dróg akustycznych. Wymaga jednak dodatkowego kabla, drugiego punktu obsługi oraz umieszczenia sondy z dala od ściany, bezpośredniego słońca i powierzchni cieczy.

• Sonda wewnętrzna: bez dodatkowego okablowania, śledzi temperaturę obudowy, daje odchylenie w bezpośrednim słońcu.
• Sonda zewnętrzna: reprezentuje drogę dźwięku, wymaga kabla i miejsca montażu.
• Urządzenia rozdzielne: sprawdź, czy sonda i procesor stosują ten sam współczynnik kompensacji.
• Porównaj odczyt wewnętrzny z niezależnym pomiarem na trzech wysokościach; różnica ponad 2 °C oznacza niewiarygodną korekcję jednopunktową.

Błąd resztkowy przy uwarstwieniu temperatury na drodze dźwięku

Jedna sonda mierzy jedną temperaturę, natomiast impuls przechodzi przez słup powietrza, który może być uwarstwiony. W pogodny poranek górny metr nad studzienką ściekową może być o 5 °C cieplejszy niż powietrze przy powierzchni, a smuga pary wprowadza inny gaz. Jeśli średnia temperatura na drodze różni się od odczytu sondy o dT, względny błąd resztkowy wynosi około 0.6*dT / c. Dla dT = 5 °C przy 20 °C jest to 3.0 / 343.4 = 0.87 %, czyli 52 mm na drodze 6.000 m, więcej niż dokładność ±10 mm oczekiwana w wielu obiektach po kompensacji.

Rura uspokajająca może zmniejszyć gradient, ale wymaga gładkiego wnętrza, odpowietrzenia na górnym końcu w celu wyrównania ciśnienia wewnątrz i na zewnątrz oraz zanurzenia dolnego końca poniżej najniższego mierzonego poziomu. Zbyt wąska rura lub spoina spawalnicza wytwarza fałszywe echa, których nie usunie żadna nastawa temperatury. Kompensacja ma więc określoną granicę: koryguje jednakową temperaturę powietrza, a nie gradient, zmianę gazu czy próżnię. Jeśli gradient 5 °C występuje regularnie, uwzględnij błąd resztkowy w budżecie błędów.

Przejście na radar, gdy kompensacja nie wystarcza

Nie polegaj na przetworniku ultradźwiękowym, jeśli gaz nad cieczą nie jest zwykłym powietrzem pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego. Nie należy stosować tej metody w zbiornikach zamkniętych o zmiennym ciśnieniu lub składzie par w cyklu, w zbiornikach poddawanych próżni ani tam, gdzie powierzchnię pokrywa trwała piana grubsza niż około 0.1 m. Nie ma wtedy jednej prędkości dźwięku do skompensowania, a echo może zostać pochłonięte lub rozproszone przed powrotem. W próżni dźwięk w ogóle się nie rozchodzi.

Zastosuj wtedy radarowy przetwornik poziomu. Fale elektromagnetyczne nie wymagają gazu do propagacji, a temperatura powietrza, wilgotność i umiarkowane zmiany ciśnienia nie wpływają na czas ich przejścia. Zmiana usuwa z budżetu błędów cały składnik 0.6 m/s na °C. Przed zamówieniem sprawdź odległość blokowania radaru na aktualnej stronie produktu: przy krótkim zakresie strefa martwa bliskiego pola może wprowadzić inne ograniczenie w miejsce błędu temperatury. Artykuł techniczny o zastępowaniu ultradźwięków radarem opisuje zachowanie istniejącego mocowania, kabla i wejścia 4-20 mA przy zmianie zasady pomiaru.

Potwierdzenie działania korekcji podczas uruchomienia

Udokumentuj korekcję zamiast zakładać, że jest włączona. Przy przekazaniu zapisz odległość odniesienia zmierzoną taśmą lub wyznaczoną stałym reflektorem, odległość wskazaną, temperaturę powietrza przy głowicy i w drugim punkcie drogi, włączony tryb kompensacji oraz używany współczynnik. Powtórz próbę w najchłodniejszej i najcieplejszej porze dnia; po uwzględnieniu temperatury oba wskazania powinny być zgodne w granicach dopuszczalnego błędu obiektu. Jeśli nie są, przed regulacją zakresu sprawdź gradient, zmianę składu gazu lub uszkodzenie sondy.

• Sprawdź zgodność współczynnika w konfiguracji z obliczeniem: 0.6 lub 0.607 m/s na °C; 0.607 wynika z pełniejszej zależności c = 331.3 * sqrt(1 + T/273.15).
• Sprawdź strefę martwą przy najwyższym poziomie roboczym: zwykle od 0.25 m do 0.50 m zależnie od zakresu.
• Po każdej zmianie kompensacji sprawdź skalowanie 4-20 mA i poziom odniesienia.
• Zachowaj odczyty sprzed i po regulacji wraz z datą i temperaturą powietrza.

Te zapisy umożliwiają audyt kompensacji temperatury. Bez nich stabilnego wskazania nie da się odróżnić od korekcji, która przypadkowo stale myli się w jednym kierunku.

Często zadawane pytania

Pytanie 1. Czy zawsze wymagana jest kompensacja temperatury ultradźwiękowego przetwornika poziomu?

Tak, w każdym odpowietrzanym zbiorniku, w którym temperatura powietrza zmienia się o więcej niż kilka stopni. Bez kompensacji zmiana o 25 °C daje około 262 mm na drodze 6.000 m, znacznie więcej niż ±10 mm dopuszczane w większości pętli. Wyłączaj ją tylko przy stałej temperaturze gazu, na przykład w zbiorniku wewnątrz pomieszczenia z kontrolą klimatu.

Pytanie 2. Czy kompensacja może skorygować odczyt biegnący wstecz?

Nie. Odwrócony sygnał wyjściowy jest problemem skalowania lub okablowania. Kompensacja zmienia jedynie c w d = c*t/2; nie może zmienić znaku poziomu ani kierunku 4-20 mA. Najpierw sprawdź odległość do dna pustego zbiornika, zakres i kierunek wyjścia.

Pytanie 3. Które umiejscowienie sondy zapewnia lepszą korekcję w zbiorniku zewnętrznym?

Lepszym wyborem jest sonda zewnętrzna w przestrzeni nad cieczą, osłonięta od słońca i oddalona od ściany. Czujnik wewnętrzny śledzi obudowę, która może być o 10 °C–15 °C cieplejsza niż powietrze na drodze dźwięku. Porównaj pomiary na trzech wysokościach; przy różnicy ponad 2 °C korekcja jednopunktowa jest niewiarygodna.

Pytanie 4. Jaki błąd pozostaje po kompensacji na drodze 6.000 m z gradientem 5 °C?

Około 52 mm, czyli 0.87 % zakresu, z 0.6 * 5 / 343.4. Jedna sonda nie reprezentuje uwarstwionego słupa powietrza. Rura uspokajająca może zmniejszyć gradient, ale musi być gładka, odpowietrzana u góry i zanurzona dolnym końcem. Uwzględnij błąd resztkowy w budżecie błędów.

Pytanie 5. Kiedy należy wymienić przyrząd na radarowy przetwornik poziomu?

Gdy fazą gazową nie jest zwykłe powietrze: zbiorniki zamknięte lub poddawane próżni, zmienny skład par, warstwy rozpuszczalników i piana grubsza niż około 0.1 m. Nie ma jednej prędkości dźwięku do skompensowania, a echo może być pochłaniane. Radar usuwa składnik temperatury, choć trzeba sprawdzić jego odległość blokowania.

Pytanie 6. Co powinien zawierać protokół odbioru na obiekcie?

Odległość odniesienia i wskazaną, temperaturę powietrza przy głowicy i w drugim punkcie, włączony tryb kompensacji, współczynnik oraz odczyty sprzed i po regulacji wraz z datą. Powtórz próbę w najchłodniejszej i najcieplejszej porze dnia i zachowaj oba wyniki.

STRESZCZENIE

Kompensacja temperatury ultradźwiękowego przetwornika poziomu usuwa przewidywalny błąd skali: bez korekcji zmiana o 25 °C zmienia wskazanie odległości 6.000 m o około 262 mm, czyli 4.4 % zakresu. Zależność c = 331.4 + 0.6*T zmniejsza go do kilku milimetrów, jeśli jedna sonda reprezentuje całą drogę. Przy uwarstwieniu z różnicą 5 °C nadal pozostaje około 52 mm, więc gradienty, piana i próżnia nie są objęte korekcją. Następnym krokiem jest zapisanie współczynnika, położenia sondy i pary pomiarów odniesienia przy niskiej i wysokiej temperaturze.