Informacje na temat czujników ultradźwiękowych (część 4): Wpływ na dokładność pomiaru

Temperatura powietrza

Największy wpływ na dokładność pomiaru czujnika ultradźwiękowego ma temperatura powietrza. Po zmierzeniu czasu przesłania odbitego impulsu ultradźwiękowego czujnik oblicza odległość od obiektu przy użyciu wartości prędkości dźwięku. Jednak wraz ze zmianą temperatury powietrza prędkość dźwięku zmienia się o 0,17% na kelwin. Niemal wszystkie czujniki ultradźwiękowe firmy Pepperl+Fuchs są wyposażone w sondę temperatury umożliwiającą skompensowanie tego efektu. Sonda mierzy temperaturę otoczenia, a czujnik wprowadza poprawkę odchyłki temperaturowej zmierzonej wartości (patrz kompensacja temperatury).

Wilgotność

Wilgotność ma znikomy wpływ na prędkość dźwięku w temperaturze pokojowej oraz niższych temperaturach. Jednak w przypadku wyższej temperatury prędkość dźwięku rośnie wraz ze wzrostem wilgotności.

Ciśnienie powietrza

Prędkość dźwięku zmniejsza się o około 1% pomiędzy poziomem morza a wysokością 3000 m n.p.m. Wahania ciśnienia atmosferycznego w danej lokalizacji są nieistotne i ich wpływ na prędkość dźwięku jest niemal niemierzalny.

Prądy powietrzne

Jeśli obiekt ma właściwości refleksyjne, jak standardowy reflektor, stałe prądy powietrzne (wiatr) nie wpływają na czujniki ultradźwiękowe do prędkości 7 węzłów (50–61,5 km/h). Silne lub sztormowe wiatry mogą powodować niestabilność pomiarów (utratę sygnału). Jeśli chodzi o prędkość dźwięku, nie można wysunąć jednoznacznych wniosków. Powodem jest nieustanna zmienność kierunku oraz prędkości wiatru. Na przykład obiekty o bardzo wysokiej temperaturze, takie jak rozgrzany do czerwoności metal, powodują znaczne turbulencje powietrza. Sygnał ultradźwiękowy może zostać rozbity lub zmienić kierunek w taki sposób, że do czujnika nie wróci echo, które umożliwiałoby obliczenie wartości.

Zamgławienie

Zamgławienie nie ma istotnego wpływu na działanie czujników ultradźwiękowych. Jednak mgła nie powinna skraplać się na aktywnej powierzchni przetwornika, ponieważ może zmniejszyć to jego czułość.

Zakłócenia zewnętrzne

Zakłócenia zewnętrzne są odróżniane od odbieranego echa i zwykle nie powodują błędów. Jeśli źródło zakłóceń ma taką samą częstotliwość jak czujnik ultradźwiękowy, poziom zewnętrznych zakłóceń nie może być wyższy od poziomu odbieranego echa. Może to wystąpić na przykład podczas napełniania silosu kamieniami.

Rodzaj gazu

Czujniki ultradźwiękowe firmy Pepperl+Fuchs zostały zaprojektowane do pracy w powietrzu atmosferycznym. Praca w innych gazach (na przykład dwutlenku węgla) może powodować poważne błędy pomiarowe, a nawet może nie być możliwa ze względu na różnice w prędkości dźwięku oraz tłumieniu.

Czujniki ultradźwiękowe wykorzystują metodę pomiaru czasu przesłania echa, co oznacza, że obliczany jest czas, jaki upłynie od wyemitowania impulsu ultradźwiękowego do odebrania echa. Czujnik ultradźwiękowy oblicza odległość od obiektu na podstawie wartości prędkości dźwięku. W powietrzu prędkość dźwięku wynosi około 344 m/s w temperaturze pokojowej. Jednak zależy ona od temperatury i zmienia się o około 0,17% na jeden stopień Celsjusza. Zmiany te wpływają na czas biegu sygnału i mogą powodować błędne obliczenie odległości. Większość czujników ultradźwiękowych firmy Pepperl+Fuchs oferuje zakres roboczy od -25°C do +70°C.

Bez kompensacji temperatury, przy odległości pomiarowej wynoszącej 100 cm przy 20°C, zmiana temperatury powodowałaby błąd pomiaru wynoszący -8,5 cm przy 70°C i +7,65 cm przy -25°C.

Dlatego większość czujników ultradźwiękowych jest wyposażona w sondy temperatury używane do obliczania poprawek zmierzonych odległości. Kompensacja ma miejsce w całym zakresie roboczym czujników ultradźwiękowych, od -25°C do +70°C, i umożliwia uzyskanie dokładności pomiarowej wynoszącej około ±1,5%.

Dokładność/dokładność bezwzględna dotyczy różnicy pomiędzy wartością wyjściową, tj. zmierzoną przez czujnik ultradźwiękowy, a rzeczywistą odległością od obiektu docelowego. Z praktycznego punktu widzenia można uzyskać dokładność bezwzględną rzędu od 1% do 3% w zastosowaniach przemysłowych czujników ultradźwiękowych o zakresie roboczym od -25°C do +70°C. Większą dokładność można uzyskać w bardzo stabilnych warunkach otoczenia. W takim przypadku zaleca się wyłączenie funkcji kompensacji temperatury (przy użyciu narzędzia do programowania).

Inne rozwiązanie polega na użyciu referencyjnego czujnika ultradźwiękowego. Wymaga to zainstalowania drugiego czujnika tego samego typu równolegle do czujnika pomiarowego i ustawienie go na nieruchomy obiekt. W przypadku zmiany warunków otoczenia w zakresie pomiarowym, odległość od obiektów także pozornie ulegnie zmianie z powodu różnicy w prędkości dźwięku. Zmierzoną wartość należy wówczas skorygować o wielkość błędu.