เครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิก: การชดเชยอุณหภูมิและความคลาดเคลื่อน

หากไม่ชดเชย เมื่ออุณหภูมิอากาศเปลี่ยน 25 °C ความเร็วเสียงจะเปลี่ยน 15 m/s และเกิดความคลาดเคลื่อนระยะ 4.2-4.4 % การชดเชยอุณหภูมิของเครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกแก้ผลนี้ด้วยการวัดอุณหภูมิอากาศ แล้วคำนวณความเร็วใหม่ในการแปลงเวลาการเดินทางเป็นระยะ วิธีนี้ใช้ได้เมื่ออุณหภูมิที่โพรบอ่านเป็นตัวแทนของเส้นทางทั้งหมดเท่านั้น ช่วงวัดสั้นในอาคารจัดการได้ง่าย ส่วนช่วงวัดยาวกลางแจ้งมักต้องมีโพรบภายนอก

ความสัมพันธ์ของความเร็วเสียงที่ใช้ในการชดเชยอุณหภูมิของเครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิก

เครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกส่งคลื่นเป็นชุดไปยังผิวของเหลวแล้วจับเวลาสัญญาณสะท้อน ระยะทางคือ d = c*t/2 โดย t คือเวลาไปกลับ และ c คือความเร็วเสียงในก๊าซระหว่างหัวแปลงสัญญาณกับผิวของเหลว เครื่องส่งสัญญาณไม่ได้วัด c แต่สมมติค่าหนึ่งขึ้นมา สำหรับอากาศแห้งที่ 20 °C ค่านั้นคือ 343.4 m/s และสมการเชิงเส้นที่ใช้ทั่วไปคือ c = 331.4 + 0.6*T โดย T มีหน่วย °C และ c มีหน่วย m/s

ผลที่เกิดเป็นความคลาดเคลื่อนของสเกลโดยตรง การเปลี่ยน 1 °C ทำให้ c เปลี่ยน 0.6 m/s หรือ 0.17 % ของ 343.4 m/s ดังนั้นระยะ 6.000 m จะเปลี่ยนประมาณ 10.5 mm ต่อ °C หากไม่มีการชดเชย เมื่ออุณหภูมิกลางวันกับกลางคืนต่างกัน 25 °C ผลจะเป็น 262 mm หรือ 4.4 % ของสแปน การชดเชยอุณหภูมิของเครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกตัดปัจจัยนี้โดยตรง โดยใช้ค่าอุณหภูมิหาค่า c ที่ชดเชยแล้ว และคำนวณผลจากเวลาการเดินทางใหม่ คุณภาพสัญญาณสะท้อน ระยะอับวัด และสภาพผิวไม่ได้ดีขึ้น เปลี่ยนเฉพาะสเกลระยะทางเท่านั้น

ตัวอย่างคำนวณความคลาดเคลื่อนระยะเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน 25 °C

ตัวอย่างคำนวณจากค่าหน้างานที่สมมติขึ้นเพื่ออธิบาย ไม่ใช่ข้อมูลที่วัดจริงในภาคสนาม เครื่องส่งสัญญาณสอบเทียบที่ 20 °C จึงใช้ c = 343.4 m/s คงที่ ระยะจริงคือ 6.000 m หากอากาศในเส้นทางเสียงมีอุณหภูมิ 45 °C ความเร็วจริงคือ 331.4 + 0.6 * 45 = 358.4 m/s และสัญญาณสะท้อนกลับมาหลัง t = 2 * 6.000 / 358.4 = 33.48 ms เครื่องส่งสัญญาณที่ไม่ชดเชยจะคำนวณ d = 343.4 * 0.03348 / 2 = 5.749 m จึงรายงานระยะต่ำกว่าจริง 0.251 m หรือ 4.2 % ค่า 4.4 % ที่กล่าวถึงเป็นรูปเชิงเส้นประมาณจาก 0.6 * 25 / 343.4 = 4.37 % ค่าที่แน่นอนขึ้นกับทิศทางการเปลี่ยน เพราะอัตราส่วนกลับด้านกัน

เมื่อคงการแปลงระยะด้วยความเร็วเสียง 343.4 m/s ที่ 20 °C อุณหภูมิจริง 45 °C (สูงกว่าฐาน 25 °C) ให้ความคลาดเคลื่อน -251 mm และอุณหภูมิจริง -5 °C ให้ +274 mm ส่วน 262 mm เป็นค่าประมาณเชิงเส้นสำหรับผลต่างอุณหภูมิ 25 °C โดยใช้ 20 °C เป็นฐาน

ค่าเหล่านี้คำนวณสำหรับอากาศแห้งที่ 1 bar ไม่ใช่ข้อกำหนดผลิตภัณฑ์ ให้ยืนยันช่วงอุณหภูมิที่ชดเชยได้และระยะอับวัดจากเอกสารข้อมูลฉบับปัจจุบัน เมื่อสูงกว่าประมาณ 40 °C ต้องตรวจสอบเส้นทางเสียงควบคู่กับพิกัดหัวแปลงสัญญาณ

เงื่อนไขจำกัดคืออากาศแห้งที่มีองค์ประกอบคงที่ ความดัน 1 bar และมีอุณหภูมิเดียวกันตลอดเส้นทาง 6.000 m ความชื้น ไอของตัวทำละลาย คาร์บอนไดออกไซด์ หรือความดันที่เปลี่ยน ทำให้ c เปลี่ยนในลักษณะที่โพรบอุณหภูมิมองไม่เห็น หากก๊าซไม่ใช่อากาศทั่วไป สมการเชิงเส้นนี้ก็เป็นแบบจำลองที่ไม่เหมาะสมตั้งแต่ต้น

โพรบอุณหภูมิภายในและภายนอก

อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดส่วนใหญ่มีเซนเซอร์ภายในที่ยึดติดกับหัวแปลงสัญญาณหรือตัวเรือน ไม่ต้องเดินสายเพิ่มและติดตามอุณหภูมิอิเล็กทรอนิกส์ได้ดี จึงมักเปิดการชดเชยอุณหภูมิของเครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกไว้เป็นค่าเริ่มต้น จุดอ่อนคือตัวเรือนไม่ใช่เส้นทางเสียง หลังคาคลุมที่รับแดดอาจทำให้ตัวเรือนร้อนกว่าอากาศในถัง 10 °C ถึง 15 °C เครื่องส่งสัญญาณจึงใช้ c ผิดค่ากับเส้นทางที่เย็นกว่า

โพรบภายนอกในช่องว่างไอ หรือเครื่องส่งสัญญาณอุณหภูมิแยกที่ต่อเข้ากับเครื่องวัดระดับ จะวัดก๊าซที่พัลส์เดินทางผ่านจริง จึงเหมาะกว่าสำหรับถังกลางแจ้ง บ่อพักเปิด และเส้นทางเสียงยาวทุกชนิด สิ่งที่ต้องแลกคือสายเพิ่มอีกเส้น จุดบำรุงรักษาอีกจุด และต้องวางโพรบห่างจากผนัง แสงแดดตรง และผิวของเหลว

• โพรบภายใน: ไม่ต้องเดินสายเพิ่ม ติดตามอุณหภูมิตัวเรือน และเกิดความคลาดเคลื่อนเมื่อรับแดดตรง
• โพรบภายนอก: ติดตามอุณหภูมิเส้นทางเสียง แต่ต้องมีสายและตำแหน่งติดตั้ง
• ชุดแยกส่วน: ยืนยันว่าโพรบและหน่วยประมวลผลใช้สัมประสิทธิ์ชดเชยเดียวกัน
• เปรียบเทียบค่าภายในกับค่าจากเครื่องวัดอิสระที่สามระดับความสูง หากต่างเกิน 2 °C การชดเชยจากจุดเดียวจะไม่น่าเชื่อถือ

ความคลาดเคลื่อนคงเหลือจากเส้นทางเสียงที่มีชั้นอุณหภูมิ

โพรบหนึ่งตัววัดอุณหภูมิได้จุดเดียว ขณะที่พัลส์ผ่านคอลัมน์อากาศซึ่งอาจแบ่งเป็นชั้น เช้าที่ฟ้าใส อากาศช่วงบนหนึ่งเมตรเหนือบ่อพักน้ำเสียอาจอุ่นกว่าอากาศใกล้ผิว 5 °C และกลุ่มไอน้ำยังเพิ่มก๊าซอีกชนิด หากอุณหภูมิเฉลี่ยตลอดเส้นทางต่างจากค่าที่โพรบอ่านเท่ากับ dT ความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์คงเหลือจะประมาณ 0.6*dT / c สำหรับ dT = 5 °C ที่ 20 °C จะเป็น 3.0 / 343.4 = 0.87 % หรือ 52 mm ตลอดสแปน 6.000 m ซึ่งมากกว่าความแม่นยำ ±10 mm ที่หลายหน้างานคาดหวังจากอุปกรณ์ที่ชดเชยแล้ว

ท่อสงบช่วยลดความต่างอุณหภูมิได้ แต่มีเงื่อนไขของตัวเอง: ผิวในต้องเรียบ ปลายบนต้องมีช่องระบายให้อากาศภายในกับภายนอกมีความดันเท่ากัน และปลายล่างต้องจมต่ำกว่าระดับต่ำสุดที่วัด ท่อที่แคบเกินไปหรือมีแนวเชื่อมทำให้เกิดสัญญาณสะท้อนเทียมซึ่งแก้ด้วยการตั้งค่าอุณหภูมิไม่ได้ ดังนั้นการชดเชยอุณหภูมิของเครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกจึงมีขีดจำกัดชัดเจน: ชดเชยอุณหภูมิอากาศที่สม่ำเสมอได้ แต่ไม่ชดเชยความต่างอุณหภูมิตามเส้นทาง การเปลี่ยนชนิดก๊าซ หรือสุญญากาศ หากความต่าง 5 °C เกิดเป็นประจำ ให้รวมความคลาดเคลื่อนคงเหลือในงบความคลาดเคลื่อน

เปลี่ยนเป็นเรดาร์เมื่อการชดเชยไม่เพียงพอ

อย่าพึ่งพาเครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิกเมื่อก๊าซเหนือของเหลวไม่ใช่อากาศทั่วไปที่ความดันใกล้บรรยากาศ ไม่ควรใช้วิธีนี้กับภาชนะปิดที่ความดันหรือองค์ประกอบไอเปลี่ยนระหว่างรอบ ภาชนะที่ดูดเป็นสุญญากาศได้ หรือจุดที่มีชั้นโฟมหนากว่าประมาณ 0.1 m ปกคลุมผิวอย่างต่อเนื่อง ในทุกกรณีไม่มีความเร็วเสียงค่าเดียวให้ชดเชย และสัญญาณสะท้อนอาจถูกดูดกลืนหรือกระเจิงก่อนกลับมา สุญญากาศไม่ให้เสียงแพร่ได้เลย

ให้เปลี่ยนเป็นเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ต้องอาศัยก๊าซในการเดินทาง และเวลาการเดินทางไม่ขึ้นกับอุณหภูมิอากาศ ความชื้น หรือความดันที่เปลี่ยนในระดับปานกลาง การเปลี่ยนวิธีจึงตัดปัจจัย 0.6 m/s ต่อ °C ออกจากงบความคลาดเคลื่อนได้ทั้งหมด ก่อนสั่งซื้อ ให้ตรวจสอบระยะอับวัดของเรดาร์จากหน้าผลิตภัณฑ์ฉบับปัจจุบัน เพราะในช่วงวัดสั้น เขตอับใกล้เสาอากาศอาจกลายเป็นข้อจำกัดแทนความคลาดเคลื่อนอุณหภูมิ บทความทางเทคนิคเรื่องการเปลี่ยนจากอัลตราโซนิกเป็นเรดาร์อธิบายการรักษาจุดติดตั้ง สาย และอินพุต 4-20 mA เดิมเมื่อเปลี่ยนหลักการวัด

หลักฐานขณะทดสอบเดินระบบสำหรับการชดเชย

บันทึกการชดเชยแทนการสมมติว่าเปิดใช้อยู่ เมื่อส่งมอบ ให้บันทึกระยะอ้างอิงที่วัดด้วยเทปหรือตัวสะท้อนคงที่ ระยะที่แสดง อุณหภูมิอากาศที่หัวแปลงสัญญาณและอีกจุดในเส้นทาง โหมดชดเชยที่เปิด และสัมประสิทธิ์ที่ใช้ ทำซ้ำช่วงที่เย็นที่สุดและอุ่นที่สุดของวัน หลังชดเชยอุณหภูมิแล้ว ระยะที่แสดงทั้งสองครั้งควรตรงกันภายในขีดจำกัดความคลาดเคลื่อนหน้างาน หากไม่ตรง ให้ตรวจหาความต่างอุณหภูมิตามเส้นทาง องค์ประกอบก๊าซที่เปลี่ยน หรือโพรบชำรุด ก่อนปรับสแปน

• ยืนยันว่าสัมประสิทธิ์ชดเชยในการตั้งค่าตรงกับที่ใช้คำนวณ (0.6 หรือ 0.607 m/s ต่อ °C โดย 0.607 มาจากรูปสมการที่ละเอียดกว่า c = 331.3 * sqrt(1 + T/273.15))
• ตรวจสอบระยะอับวัดที่ระดับใช้งานสูงสุด โดยทั่วไป 0.25 m ถึง 0.50 m ขึ้นกับช่วงวัด
• ตรวจสอบการสเกล 4-20 mA และจุดอ้างอิงหลังเปลี่ยนค่าชดเชยทุกครั้ง
• เก็บค่าที่พบก่อนปรับและค่าหลังปรับ พร้อมวันที่และอุณหภูมิอากาศ

บันทึกเหล่านี้ทำให้ตรวจสอบย้อนหลังการชดเชยอุณหภูมิของเครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกได้ หากไม่มี จะไม่สามารถแยกค่าที่อ่านได้เสถียรออกจากการชดเชยที่บังเอิญผิดไปด้านเดียว

คำถามที่พบบ่อย

Q1. เครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกต้องชดเชยอุณหภูมิเสมอหรือไม่?

จำเป็นสำหรับถังเปิดระบายทุกถังที่อุณหภูมิอากาศเปลี่ยนมากกว่าสองสามองศา หากไม่ชดเชย การเปลี่ยน 25 °C จะเพิ่มความคลาดเคลื่อนประมาณ 262 mm ตลอดระยะ 6.000 m สูงกว่า ±10 mm ที่วงจรส่วนใหญ่ยอมให้มาก ปิดการชดเชยได้เฉพาะเมื่ออุณหภูมิก๊าซคงที่ เช่น ถังในอาคารที่ควบคุมสภาพอากาศ

Q2. การชดเชยแก้ค่าที่อ่านเปลี่ยนกลับทิศได้หรือไม่?

ไม่ได้ เอาต์พุตกลับทิศเป็นปัญหาการสเกลหรือการเดินสาย การชดเชยอุณหภูมิเปลี่ยนเฉพาะ c ใน d = c*t/2 ไม่สามารถเปลี่ยนเครื่องหมายของระดับหรือทิศทาง 4-20 mA ได้ ให้ตรวจสอบระยะเมื่อถังว่าง สแปน และทิศทางเอาต์พุตก่อน

Q3. ตำแหน่งโพรบใดให้การชดเชยดีกว่าสำหรับถังกลางแจ้ง?

โพรบภายนอกในช่องว่างไอที่บังแดดและอยู่ห่างผนังเหมาะกว่า เซนเซอร์ภายในติดตามตัวเรือน ซึ่งอาจร้อนกว่าเส้นทางเสียง 10 °C ถึง 15 °C ให้เปรียบเทียบทั้งสองที่สามระดับความสูง หากต่างเกิน 2 °C การชดเชยจากจุดเดียวจะไม่น่าเชื่อถือ

Q4. หลังชดเชย เส้นทาง 6.000 m ที่มีความต่างอุณหภูมิ 5 °C จะเหลือความคลาดเคลื่อนเท่าใด?

ประมาณ 52 mm หรือ 0.87 % ของสแปน จาก 0.6 * 5 / 343.4 โพรบหนึ่งตัวแทนคอลัมน์อากาศที่แบ่งชั้นไม่ได้ ท่อสงบอาจลดความต่างได้ แต่ต้องเรียบ มีช่องระบายด้านบน และจมด้านล่าง ให้รวมความคลาดเคลื่อนคงเหลือในงบความคลาดเคลื่อน

Q5. เมื่อใดควรเปลี่ยนเป็นเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์?

เมื่อเฟสก๊าซไม่ใช่อากาศทั่วไป ได้แก่ ภาชนะปิดหรือสุญญากาศ องค์ประกอบไอที่เปลี่ยน ชั้นตัวทำละลาย และโฟมหนากว่าประมาณ 0.1 m ไม่มีความเร็วเสียงค่าเดียวให้ชดเชย และสัญญาณสะท้อนอาจถูกดูดกลืน เรดาร์ตัดปัจจัยอุณหภูมิออกได้ แต่ต้องตรวจสอบระยะอับวัด

Q6. บันทึกตรวจรับหน้างานควรมีอะไรบ้าง?

ระยะอ้างอิงและระยะที่แสดง อุณหภูมิอากาศที่หัวแปลงสัญญาณและอีกจุด โหมดชดเชยที่เปิด สัมประสิทธิ์ และค่าก่อนกับหลังปรับพร้อมวันที่ ทำซ้ำช่วงที่เย็นที่สุดและอุ่นที่สุดของวัน และเก็บค่าทั้งสองครั้งไว้ในบันทึก

สรุป

การชดเชยอุณหภูมิของเครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกตัดความคลาดเคลื่อนสเกลที่คาดการณ์ได้: การเปลี่ยน 25 °C ที่ไม่ชดเชยทำให้ระยะ 6.000 m เปลี่ยนประมาณ 262 mm หรือ 4.4 % ของสแปน ขณะที่ c = 331.4 + 0.6*T ลดผลเหลือเพียงไม่กี่มิลลิเมตรได้เมื่อโพรบหนึ่งตัวเป็นตัวแทนเส้นทาง แต่เส้นทางที่แบ่งชั้นและต่างกัน 5 °C ยังเหลือประมาณ 52 mm ดังนั้นความต่างอุณหภูมิตามเส้นทาง โฟม และสุญญากาศจึงอยู่นอกขอบเขตการชดเชย ขั้นตอนถัดไปคือบันทึกสัมประสิทธิ์ ตำแหน่งโพรบ และค่าอ้างอิงคู่หนึ่งในช่วงเย็นกับอุ่น