طريقة معايرة مستشعر مستوى الموجات فوق الصوتية في ظل أخطاء مختلفة

طريقة معايرة مستشعر مستوى الموجات فوق الصوتية في ظل أخطاء مختلفة

في قياس مستوى السوائل، يُعد مستشعر مستوى الموجات فوق الصوتية نوعًا من أجهزة قياس مستوى المواد التي لا تتطلب التلامس، وهو شائع الاستخدام. ومع ذلك، في التطبيق العملي، تؤثر عوامل مثل درجة الحرارة والرطوبة والغبار والتركيب الكيميائي للسائل المقاس وغيرها على دقة القياس. بيع أجهزة استشعار مستوى الصوت بالموجات فوق الصوتية بالجملة يتطلب تحقيق قياس دقيق إتقان أساليب معايرة الأخطاء المختلفة الناتجة عن عوامل متعددة، بدرجات متفاوتة. سنستعرض فيما يلي أساليب معايرة مستشعر مستوى الموجات فوق الصوتية وإجراءات تعويض الأخطاء المختلفة.

خطأ وقت العبور وطريقة معايرته

1. خطأ في وقت العبور

يشير زمن العبور إلى الوقت اللازم لانتقال الإشارات من المنبع إلى المصب. ولأن الموجة الصوتية موجة ميكانيكية مرنة ذات اهتزاز طولي، فإن انتشارها يعتمد على الحركة الجزيئية لوسط الانتشار. وبسبب عوامل مثل امتصاص الموجات الصوتية وتشتتها وانتشارها في وسط الانتشار، تضعف شدة الصوت وضغطه وطاقته، مما يؤدي إلى توهين الصوت. وقياس جهاز إرسال مستوى بالموجات فوق الصوتية يتطلب الأمر تكوين انعكاس تحت صوتي على مستوى السائل المقاس، مما يؤدي إلى توهين الموجات الصوتية. تتلاشى الموجات الصوتية أُسّيًا مع زيادة مسافة الانتشار. عند اختلاف ارتفاع مستوى السائل، تتغير مسافة انتقال الموجات الصوتية، وبالتالي تختلف سعة الموجات المستقبلة اختلافًا كبيرًا. يبدأ النظام بالتوقيت عند انبعاث الموجات فوق الصوتية من المجس، ويتوقف عند تجاوز سعة الإشارة المستقبلة العتبة المحددة. مع تغير ارتفاع مستوى السائل، تتغير سعة الإشارة المستقبلة أيضًا. عندما يكون مستوى السائل منخفضًا نسبيًا، تكون سعة الإشارة المستقبلة صغيرة نسبيًا، وقد تحتاج إلى الوصول إلى العتبة عند الذروة الرابعة؛ وعندما يكون مستوى السائل مرتفعًا نسبيًا، تكون سعة الإشارة المستقبلة كبيرة نسبيًا، وقد يتم الوصول إلى العتبة عند الذروة الثالثة أو حتى قبل ذلك. في هذه الحالة، لا يكون وقت إيقاف التوقيت ثابتًا، وهذا التفاوت الزمني سيؤدي حتمًا إلى أخطاء في دقة قياس النظام. إذا تم تطبيق خطأ وقت العبور على 1000 متر مكعب، فإن خزانات تخزين النفط المذكورة أعلاه ستنتج خطأ مطلقًا كبيرًا، لذلك يجب التخلص من هذا الخطأ ومعايرته.

2. طريقة معايرة خطأ وقت المقامرة

يُعدّ استخدام دائرة التحكم الزمني (TGC) حاليًا طريقةً بسيطةً نسبيًا للتخلص من أخطاء زمن الانتقال. فباستخدام هذه الدائرة لتعويض توهين الموجات الصوتية أثناء انتشارها، يكون سعة الموجات المستقبلة ثابتًا تقريبًا في ظل ظروف مستويات السائل المختلفة، وذلك لتقليل أخطاء القياس إلى أدنى حد ممكن. إلا أن هذه الطريقة تعاني من قيود كبيرة نظرًا للحاجة إلى التنبؤ بزمن انتشار الموجات الصوتية عند مستويات السائل المختلفة وتوهينها ضمن هذه المسافة، ثم رسم منحنى بناءً على العلاقة بينهما، وتصميم دائرة تحكم زمني تتوافق مع معادلة هذا المنحنى.

يتضح مما سبق أن العوامل المهمة في قياس زمن الانتشار والتوهين تتأثر بسهولة بالبيئة الميدانية، ولا تتطابق تمامًا مع المنحنى المُخطط له مسبقًا. في الواقع، حتى لو كان المنحنى المُطابق دقيقًا للغاية، فإن تصميم دائرة TGC تُطابقه تمامًا ليس بالأمر السهل. وبالتالي، لا مفر من إدخال أخطاء جديدة في عملية التعويض.

للقضاء تمامًا على خطأ زمن العبور، تتضمن عملية تحويل الإشارة في دائرة الاستقبال معالجة الإشارة المستقبلة مسبقًا، واستخراج غلاف الإشارة بعد كشف التيار المستمر، ثم إجراء معالجة تفاضلية على الغلاف. خلال عملية تحويل الإشارة، وبغض النظر عن سعة الإشارة المستقبلة، يجب أن تكون ذروة غلافها عند مركز زمن الإشارة المستقبلة، أي عند نقطة عبور الصفر للإشارة التفاضلية. لذلك، يجب أن تكون إشارة توقيت الإيقاف الناتجة عن دائرة كشف عبور الصفر عند مركز زمن إشارة الصدى، ولن تتغير تبعًا لسعة الإشارة، مما يقضي تمامًا على خطأ زمن العبور.

خطأ دقة سرعة الصوت المرجعية وطريقة معايرتها

نعلم أن سرعة الصوت (C) وزمن انتقاله (T)، وبناءً على الصيغة S = C × T/2، يمكن حساب المسافة (S). يُعد زمن انتشار الموجات فوق الصوتية نتيجةً وسيطةً لقياس مستوى السائل باستخدام مستشعر الموجات فوق الصوتية. عند استخدام هذا المستشعر لقياس مستوى السائل، من الضروري أيضًا معرفة سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء. لذا، فإن دقة سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية تؤثر بشكل كبير على دقة قياس مستوى السائل باستخدام مستشعر الموجات فوق الصوتية.

من الناحية العملية، هناك طريقتان للمعايرة لأخطاء دقة سرعة الصوت: التعويض عن درجة الحرارة والتعويض عن سرعة الصوت في الوقت الحقيقي.

1. تعويض درجة الحرارة

في عملية قياس مستوى الصوت باستخدام مستشعر الموجات فوق الصوتية، توجد عوامل عديدة تؤثر على سرعة الصوت، منها درجة الحرارة، وكثافة الغاز، وضغط الهواء، والرطوبة، والمواد الصلبة العالقة في الهواء، وغيرها. وتُعد درجة الحرارة العامل الأهم في تحديد سرعة الصوت، مع ضرورة مراعاة العوامل الأخرى لتجنب أي انحراف في معايرة سرعة الصوت، مما لا يفي بمتطلبات القياس عالي الدقة. وبشكل عام، تُناسب طرق تعويض درجة الحرارة التطبيقات العامة التي لا تتطلب دقة قياس عالية.

2. تعويض سرعة الصوت في الوقت الفعلي

أثبتت الممارسة أنه، متأثرًا بعوامل معقدة كبيئة القياس وأساليبه، من الضروري إدخال أخطاء جديدة بغض النظر عن الصيغ والبيانات التجريبية المستخدمة لتعويض سرعة الصوت. وتُعتبر طريقة استخدام سرعة الصوت المقاسة لتعويض سرعة الصوت حاليًا الطريقة الأكثر موثوقية.

يُركّب حاجز في الطرف الأمامي لمسبار الانبعاث، يُشكّل مسارًا صوتيًا ثابتًا مع المسبار. يُسمى هذا الهيكل إطار المسار الصوتي. عندما يُصدر المسبار موجات صوتية، يعكس الحاجز جزءًا منها عائدًا إلى المسبار. بعد استقبال الموجة المنعكسة، يحسب المسبار الزمن بين لحظة الانبعاث ولحظة الاستقبال، ومن ثمّ يحسب سرعة الصوت.

باستخدام طريقة قياس سرعة الصوت للتعويض، ونظرًا لتشابه سرعة الصوت المُعوَّضة مع سرعة الصوت في البيئة المحيطة بمسار انتشار الموجة الصوتية المقاسة، وتماثل التأثيرات البيئية تقريبًا، فإن سرعة الصوت تكون عادةً متقاربة نسبيًا، مما يجعل هذه الطريقة حاليًا الأكثر دقة لتصحيح سرعة الصوت. عند استخدام هذه الطريقة، ولتجنب التمدد الحراري لحامل مسار الصوت نتيجة لتغيرات درجة الحرارة المحيطة، والذي يُغيّر مسافة مسار الصوت ويؤثر على دقة قياس سرعة الصوت، يجب أن يُصنع حامل مسار الصوت من مواد ذات معامل تمدد حراري منخفض.

خطأ النظام وطريقة معايرته

ينشأ خطأ النظام بشكل رئيسي من تأخير النظام، وتُعد تأخيرات دوائر الأجهزة، وتأخيرات استجابة المقاطعات في المتحكم الدقيق، وتأخيرات استجابة المجس، وغيرها، من المصادر الرئيسية لتأخير النظام. بالنسبة لمستشعر مستوى الموجات فوق الصوتية الذي يعمل في وضع إرسال النبضات، فبعد أن يرسل المتحكم الدقيق أحادي الشريحة أمر الإرسال في كل مرة، لا تصل دائرة مكبر طاقة الإرسال إلى وضع الإرسال إلا بعد عملية تراكم الطاقة. في الوقت نفسه، يمر السيراميك الكهروإجهادي في المجس بعملية بدء اهتزاز، ويستغرق أيضًا وقتًا معينًا للوصول إلى تردد الاهتزاز 40 كيلوهرتز. يبدأ التوقيت من لحظة إصدار الأمر، لذا يجب مراعاة تأخير النظام وتعويضه برمجيًا.

بالإضافة إلى ذلك، عند قياس مستويات السوائل باستخدام الموجات فوق الصوتية، تُقاس المسافة من السطح الأمامي للمسبار إلى مستوى السائل، وفي الواقع، لا يقع المركز الصوتي للخزف الكهروإجهادي على سطحه. لذا، قد تتسبب المسافة بين سطح المسبار والمركز الصوتي في حدوث أخطاء في النظام، والتي يمكن تصنيفها على أنها فرق في التأخير الزمني، ويجب تصحيحها معًا.

بالنسبة لمستشعر مستوى الموجات فوق الصوتية من نفس الطراز أو الدفعة، ولأن المكونات والمواد والعمليات المستخدمة متشابهة، فإن تأخير النظام يكون متقاربًا أيضًا، وهو قيمة ثابتة نسبيًا. لذلك، يمكن معايرة تأخير النظام وتصحيحه من خلال اختبار المسافة الثابتة.