Bộ truyền mức siêu âm: Sai số bù nhiệt độ

Biến động nhiệt độ không khí 25 °C không được hiệu chỉnh làm tốc độ âm thay đổi 15 m/s và gây thêm sai số khoảng cách 4.2-4.4 %. Chức năng bù nhiệt độ của bộ truyền mức siêu âm khắc phục bằng cách đo nhiệt độ không khí và tính lại tốc độ trong phép chuyển đổi thời gian truyền thành khoảng cách. Điều này chỉ đúng khi số đo của đầu dò đại diện cho toàn bộ đường truyền; khoảng đo ngắn trong nhà dễ xử lý, còn khoảng đo dài ngoài trời thường cần đầu dò ngoài.

Quy luật tốc độ âm làm cơ sở bù nhiệt độ cho bộ truyền mức siêu âm

Bộ truyền mức siêu âm phát một chùm xung về phía mặt chất lỏng và đo thời gian phản hồi. Khoảng cách d = c*t/2, trong đó t là thời gian khứ hồi và c là tốc độ âm trong khí giữa bộ biến đổi siêu âm và bề mặt. Bộ truyền không đo c mà giả định một giá trị. Trong không khí khô ở 20 °C, giá trị đó là 343.4 m/s; công thức tuyến tính thường dùng là c = 331.4 + 0.6*T, với T tính bằng °C và c tính bằng m/s.

Hệ quả hoàn toàn là sai số thang đo. Mỗi thay đổi 1 °C làm c thay đổi 0.6 m/s, bằng 0.17 % của 343.4 m/s, nên khoảng cách 6.000 m lệch khoảng 10.5 mm mỗi °C nếu không hiệu chỉnh. Với biến động ngày/đêm 25 °C, độ lệch là 262 mm, tức 4.4 % khoảng đo. Bù nhiệt độ của bộ truyền mức siêu âm loại bỏ chính thành phần này: số đo nhiệt độ được dùng để hiệu chỉnh c, rồi tính lại kết quả thời gian truyền. Chất lượng phản hồi, vùng mù hay điều kiện bề mặt không được cải thiện; chỉ thang đo khoảng cách thay đổi.

Ví dụ tính sai số khoảng cách khi nhiệt độ thay đổi 25 °C

Ví dụ dựa trên các giá trị hiện trường giả định (chỉ minh họa phép tính, không phải dữ liệu đo tại hiện trường). Bộ truyền được hiệu chuẩn ở 20 °C nên giữ c = 343.4 m/s. Khoảng cách thực là 6.000 m. Nếu không khí trên đường truyền âm ở 45 °C, tốc độ thực là 331.4 + 0.6 * 45 = 358.4 m/s, và phản hồi quay về sau t = 2 * 6.000 / 358.4 = 33.48 ms. Bộ truyền không bù tính d = 343.4 * 0.03348 / 2 = 5.749 m, chỉ thị khoảng cách thấp hơn thực tế 0.251 m, tức 4.2 %. Con số 4.4 % được trích là dạng tuyến tính hóa 0.6 * 25 / 343.4 = 4.37 %; giá trị chính xác tùy chiều thay đổi vì tỷ số bị đảo.

Khi phép chuyển đổi giữ cố định theo mốc 20 °C, không khí tại 45 °C (cao hơn mốc 20 °C một khoảng 25 °C) cho sai số -251 mm, còn tại -5 °C (thấp hơn mốc 20 °C một khoảng 25 °C) cho +274 mm; 262 mm là giá trị tuyến tính hóa của bước thay đổi 25 °C tính tại 20 °C.

Đây là các giá trị tính toán cho không khí khô ở 1 bar, không phải thông số kỹ thuật sản phẩm. Xác nhận phạm vi nhiệt độ được bù và vùng mù trong bảng dữ liệu hiện hành; trên khoảng 40 °C phải kiểm tra đồng thời đường truyền âm và giới hạn làm việc của bộ biến đổi siêu âm.

Điều kiện giới hạn là không khí khô có thành phần cố định ở 1 bar và nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ đường truyền 6.000 m. Độ ẩm, hơi dung môi, cacbon đioxit hoặc thay đổi áp suất làm c thay đổi theo cách đầu dò nhiệt độ không thể nhận biết; khi khí không phải không khí thông thường, bản thân công thức tuyến tính đã là mô hình sai.

Đầu dò nhiệt độ bên trong và bên ngoài

Phần lớn thiết bị nhỏ gọn có cảm biến bên trong gắn với bộ biến đổi siêu âm hoặc vỏ. Cảm biến không cần dây bổ sung và theo sát nhiệt độ phần điện tử, nên chức năng bù nhiệt độ của bộ truyền mức siêu âm thường được bật mặc định. Điểm yếu là vỏ không phải đường truyền âm. Mái che có nắng chiếu có thể giữ vỏ nóng hơn không khí trong bồn từ 10 °C đến 15 °C, khiến bộ truyền áp dụng c sai cho đường truyền mát hơn.

Đầu dò ngoài đặt trong khoảng hơi, hoặc bộ truyền nhiệt độ riêng nối dây vào thiết bị đo mức, đo khí mà xung thực sự đi qua. Đây là bố trí tốt hơn cho bồn ngoài trời, hố thu hở và mọi đường truyền âm dài. Đổi lại là thêm cáp, thêm một điểm cần bảo trì, và yêu cầu đặt đầu dò xa thành bồn, ánh nắng trực tiếp và mặt chất lỏng.

• Đầu dò trong: không cần dây bổ sung, theo nhiệt độ vỏ, bị trôi khi có nắng chiếu trực tiếp.
• Đầu dò ngoài: theo đường truyền âm, cần cáp và vị trí lắp.
• Thiết bị dạng tách rời: xác nhận đầu dò và bộ xử lý dùng cùng hệ số bù.
• So sánh số đo bên trong với số đo độc lập ở ba độ cao; chênh lệch trên 2 °C khiến hiệu chỉnh một điểm không đáng tin cậy.

Sai số dư do đường truyền âm phân tầng

Một đầu dò đo một nhiệt độ trong khi xung đi qua cột khí có thể phân tầng. Vào buổi sáng trời quang, một mét trên cùng phía trên hố thu nước thải có thể ấm hơn không khí gần mặt nước 5 °C, còn luồng hơi nước bổ sung một loại khí khác. Nếu nhiệt độ trung bình trên đường truyền lệch số đo đầu dò một lượng dT, sai số tương đối còn lại khoảng 0.6*dT / c. Với dT = 5 °C ở 20 °C, kết quả là 3.0 / 343.4 = 0.87 %, tức 52 mm trên khoảng đo 6.000 m, lớn hơn độ chính xác ±10 mm mà nhiều hiện trường kỳ vọng ở thiết bị đã bù.

Ống làm lặng có thể làm giảm chênh lệch nhiệt độ dọc đường truyền, nhưng có các điều kiện riêng: lòng ống phải nhẵn, đầu trên phải thông hơi để cân bằng áp suất trong và ngoài, đầu dưới phải ngập dưới mức thấp nhất cần đo. Ống quá hẹp hoặc có đường hàn tạo phản hồi giả mà không cài đặt nhiệt độ nào khắc phục được. Vì vậy, bù nhiệt độ của bộ truyền mức siêu âm có giới hạn xác định: hiệu chỉnh nhiệt độ không khí đồng đều, không hiệu chỉnh chênh lệch nhiệt độ dọc đường truyền, thay đổi khí hay chân không. Nếu chênh lệch nhiệt độ dọc đường truyền 5 °C thường xuyên xuất hiện, cộng sai số dư vào ngân sách sai số.

Chuyển sang radar khi bù nhiệt độ không đáp ứng

Không dựa vào bộ truyền siêu âm khi khí trên chất lỏng không phải không khí thông thường ở áp suất gần khí quyển. Không nên dùng phương pháp này trên bồn kín có áp suất hoặc thành phần hơi thay đổi trong chu trình, trên bồn có thể hút chân không, hoặc khi lớp bọt dai dẳng dày hơn khoảng 0.1 m phủ bề mặt. Trong mỗi trường hợp đều không có một tốc độ âm duy nhất để bù, và phản hồi có thể bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi quay về. Trong chân không, âm hoàn toàn không truyền được.

Thay vào đó, chuyển sang bộ truyền mức radar. Sóng điện từ không cần khí làm môi trường truyền, và thời gian truyền không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ không khí, độ ẩm hoặc thay đổi áp suất vừa phải. Việc chuyển đổi loại bỏ toàn bộ thành phần 0.6 m/s mỗi °C khỏi ngân sách sai số. Kiểm tra khoảng cách chặn của radar trên trang sản phẩm hiện hành trước khi đặt hàng, vì trên khoảng đo ngắn, vùng chết trường gần có thể thay sai số nhiệt độ bằng một giới hạn khác. Bài kỹ thuật về chuyển đổi từ siêu âm sang radar trình bày cách giữ lại vị trí lắp, cáp và đầu vào 4-20 mA hiện có khi đổi nguyên lý.

Bằng chứng chạy thử cho chức năng hiệu chỉnh

Ghi lại việc hiệu chỉnh thay vì mặc định rằng chức năng đã bật. Khi bàn giao, ghi khoảng cách tham chiếu đo bằng thước dây hoặc bộ phản xạ cố định, khoảng cách chỉ thị, nhiệt độ không khí tại bộ biến đổi siêu âm và điểm thứ hai trên đường truyền, chế độ bù đang bật và hệ số sử dụng. Lặp lại vào lúc lạnh nhất và nóng nhất trong ngày; hai khoảng cách chỉ thị phải thống nhất trong giới hạn sai số hiện trường sau khi áp dụng thành phần nhiệt độ. Nếu không, tìm chênh lệch nhiệt độ dọc đường truyền, thay đổi thành phần khí hoặc đầu dò lỗi trước khi điều chỉnh khoảng đo.

• Xác nhận hệ số bù trong cấu hình phù hợp phép tính (0.6 hoặc 0.607 m/s mỗi °C; 0.607 xuất phát từ dạng đầy đủ hơn c = 331.3 * sqrt(1 + T/273.15)).
• Kiểm chứng vùng mù ở mức vận hành cao nhất, thường từ 0.25 m đến 0.50 m tùy dải đo.
• Kiểm tra thang quy đổi 4-20 mA và mốc chuẩn sau mọi thay đổi cài đặt bù.
• Lưu số đo trước và sau hiệu chỉnh cùng ngày và nhiệt độ không khí.

Các bản ghi này giúp kiểm toán việc bù nhiệt độ của bộ truyền mức siêu âm. Nếu thiếu chúng, không thể phân biệt giá trị đo ổn định với phép hiệu chỉnh tình cờ sai theo một chiều.

Câu hỏi thường gặp

C1. Có phải luôn cần bù nhiệt độ cho bộ truyền mức siêu âm không?

Có, trên mọi bồn thông hơi có nhiệt độ không khí thay đổi quá vài độ. Nếu không bù, biến động 25 °C gây thêm khoảng 262 mm trên 6.000 m, vượt xa ±10 mm mà phần lớn vòng đo cho phép. Chỉ tắt khi nhiệt độ khí không đổi, chẳng hạn bồn trong nhà có kiểm soát điều kiện môi trường.

C2. Bù nhiệt độ có sửa được giá trị đo chạy ngược không?

Không. Đầu ra đảo chiều là vấn đề thang quy đổi hoặc đấu dây. Bù nhiệt độ chỉ thay đổi c dùng trong d = c*t/2; không thể đổi dấu mức hoặc chiều 4-20 mA. Trước tiên kiểm tra khoảng cách khi rỗng, khoảng đo và chiều đầu ra.

C3. Vị trí đầu dò nào cho hiệu chỉnh tốt hơn trên bồn ngoài trời?

Đầu dò ngoài trong khoảng hơi, được che nắng và cách xa thành bồn, là lựa chọn tốt hơn. Cảm biến trong theo nhiệt độ vỏ, có thể cao hơn đường truyền âm từ 10 °C đến 15 °C. So sánh cả hai ở ba độ cao; nếu chênh trên 2 °C, hiệu chỉnh một điểm không đáng tin cậy.

C4. Còn bao nhiêu sai số sau khi bù trên đường truyền 6.000 m có chênh lệch nhiệt độ dọc đường truyền 5 °C?

Khoảng 52 mm, tức 0.87 % khoảng đo, từ 0.6 * 5 / 343.4. Một đầu dò không thể đại diện cột khí phân tầng. Ống làm lặng có thể giảm chênh lệch nhiệt độ dọc đường truyền, nhưng phải nhẵn, thông hơi ở đầu trên và ngập ở đầu dưới. Cộng sai số dư vào ngân sách sai số.

C5. Khi nào nên thay thiết bị bằng bộ truyền mức radar?

Khi pha khí không phải không khí thông thường: bồn kín hoặc hút chân không, thành phần hơi thay đổi, lớp dung môi và bọt dày trên khoảng 0.1 m. Không có một tốc độ âm duy nhất để bù và phản hồi có thể bị hấp thụ. Radar loại bỏ thành phần nhiệt độ, nhưng vẫn phải kiểm tra khoảng cách chặn.

C6. Hồ sơ nghiệm thu hiện trường cần có gì?

Khoảng cách tham chiếu và chỉ thị, nhiệt độ không khí tại bộ biến đổi siêu âm và điểm thứ hai, chế độ bù đang bật, hệ số và các số đo trước/sau hiệu chỉnh có ngày. Lặp lại vào lúc lạnh nhất và nóng nhất trong ngày; giữ cả hai số đo trong hồ sơ.

TÓM TẮT

Bù nhiệt độ của bộ truyền mức siêu âm loại bỏ sai số thang đo có thể dự đoán: biến đổi 25 °C không được hiệu chỉnh làm khoảng cách 6.000 m lệch khoảng 262 mm, tức 4.4 % khoảng đo; trong khi c = 331.4 + 0.6*T giảm sai số xuống vài milimét nếu một đầu dò đại diện đường truyền. Đường truyền phân tầng chênh 5 °C vẫn để lại khoảng 52 mm, nên chênh lệch nhiệt độ dọc đường truyền, bọt và chân không nằm ngoài khả năng hiệu chỉnh. Bước tiếp theo là ghi hệ số, vị trí đầu dò và cặp số đo tham chiếu lúc lạnh/ấm.