مبدأ عمل ومعايرة الخطأ لمقياس مستوى الموجات فوق الصوتية (النوع العلوي)

في قياس مستوى السوائل، يُعد استخدام مقاييس المستوى فوق الصوتية شائعًا جدًا. إلا أن تأثير عوامل مختلفة، كدرجة الحرارة والرطوبة والغبار والتركيب الكيميائي للسائل المراد قياسه، قد يؤدي بسهولة إلى انخفاض دقة القياس. فيما يلي تحليل لبعض الأخطاء التي قد تحدث في قياس مقاييس المستوى فوق الصوتية، واقتراح تدابير تعويضية مناسبة. 1. مبدأ عمل مقياس المستوى فوق الصوتي: يستخدم مقياس المستوى فوق الصوتي عادةً محول طاقة فوق صوتي خزفيًا مدمجًا، حيث تتم عمليتا إرسال واستقبال الموجات الصوتية بواسطة نفس المجس. يُرسل المجس إشارة فوق صوتية إلى سطح السائل المراد قياسه، وتنتشر الموجة فوق الصوتية من المجس إلى سطح السائل عبر وسط الانتشار، مُشكّلةً انعكاسًا على سطح السائل، ثم تنتشر الموجة المنعكسة إلى المجس على طول مسارها الأصلي ويتم امتصاصها. تقوم وحدة التوقيت بقياس الوقت الذي تستغرقه الموجة فوق الصوتية للوصول من لحظة إرسالها إلى لحظة الصدى. بناءً على سرعة انتشار الموجة الصوتية في الهواء، يمكن حساب المسافة من المجس إلى سطح السائل، ومن ثمّ الحصول على ارتفاع سطح السائل. 2. الأخطاء الشائعة وطرق معايرة مقاييس مستوى السوائل بالموجات فوق الصوتية 1) خطأ دقة سرعة الصوت المرجعية: من العلاقة بين قيمة المسافة S وسرعة الصوت C وزمن الانتقال T، تُظهر الصيغة S = C × T / 2 أن زمن انتشار الموجة فوق الصوتية هو زمن انتقال الموجة فوق الصوتية في مقياس مستوى السوائل. بالنسبة للنتائج الوسيطة للقياس، يُستخدم مقياس مستوى السوائل بالموجات فوق الصوتية لقياس مستوى السائل، ويجب أيضًا معرفة سرعة انتشار الموجة فوق الصوتية في الهواء. لذلك، ستؤثر دقة قيمة سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية بشكل كبير على دقة قياس مقياس مستوى السوائل بالموجات فوق الصوتية. • تعويض درجة الحرارة: بشكل عام، تُعد درجة الحرارة العامل الرئيسي المؤثر على سرعة الصوت. يمكن قياس درجة الحرارة في الوقت الفعلي عن طريق تركيب جهاز قياس درجة الحرارة. مستشعر على مقياس مستوى الموجات فوق الصوتية، يمكن تحويل قيمة سرعة الصوت باستخدام العلاقة بين درجة الحرارة وسرعة الصوت. مع ذلك، في الواقع، لا تتأثر سرعة الصوت بدرجة الحرارة فقط، بل ترتبط أيضًا بعوامل عديدة مثل كثافة الغاز، وضغط الهواء، والرطوبة، والمواد العالقة في الهواء. لذلك، في التطبيقات العملية، لا تزال هناك العديد من أوجه القصور في معايرة سرعة الصوت باستخدام طريقة قياس درجة الحرارة فقط، وستكون هناك أيضًا أخطاء معينة في عملية قياس درجة الحرارة. لذلك، فإن طريقة تعويض درجة الحرارة مناسبة فقط للتطبيقات العامة، ولا يمكنها تلبية متطلبات القياس عالي الدقة. • تعويض سرعة الصوت في الوقت الحقيقي: أثبتت الممارسة أنه نظرًا لتأثير عوامل مثل تعقيد بيئة القياس وطرق القياس، بغض النظر عن الصيغة التجريبية والبيانات التجريبية المستخدمة لتعويض سرعة الصوت، يجب إدخال أخطاء جديدة. لذلك، يُعتبر استخدام طريقة قياس سرعة الصوت هو الطريقة الأكثر موثوقية لتعويض سرعة الصوت. كما هو موضح في الشكل، يتم تركيب حاجز في الطرف الأمامي لمسبار الإرسال، ويشكل الحاجز والمسبار مسارًا صوتيًا بمسافة ثابتة. يُطلق على هذا الهيكل اسم إطار المسار الصوتي. عندما يُصدر المسبار موجات صوتية، يعكس الحاجز جزءًا منها عائدًا إلى المسبار. بعد أن يستقبل المسبار الموجة المنعكسة، يحسب الزمن من الإرسال إلى الاستقبال، ثم يحسب سرعة الصوت. تُستخدم طريقة قياس سرعة الصوت للتعويض. نظرًا لأن سرعة الصوت المُعوضة تُشابه إلى حد كبير سرعة الصوت في البيئة المحيطة بمسار انتشار الموجة الصوتية المقاسة، فإن التأثيرات البيئية تكون متماثلة تقريبًا، وتكون سرعة الصوت عادةً قريبة نسبيًا، لذا تُعد هذه الطريقة حاليًا الأكثر دقة لتصحيح سرعة الصوت. مع ذلك، عند استخدام هذه الطريقة، يجب أن يُصنع إطار المسار الصوتي من مواد ذات معامل تمدد حراري منخفض لتجنب التمدد والانكماش الحراري لإطار المسار الصوتي نتيجة لتغيرات درجة الحرارة المحيطة، مما سيؤدي إلى تغيير مسافة المسار الصوتي والتأثير على دقة قياس سرعة الصوت. 2) خطأ زمن العبور: الموجة الصوتية هي موجة ميكانيكية مرنة ذات اهتزاز طولي، تنتشر بفعل الحركة الجزيئية لوسط الانتشار. ونظرًا لامتصاص وتشتت وانتشار الموجات الصوتية في وسط الانتشار، تضعف شدة الصوت وضغطه وطاقته، مما يؤدي إلى توهين الموجة الصوتية. ويتطلب قياس مستوى السائل باستخدام مقياس الموجات فوق الصوتية انعكاس الموجة الصوتية على سطح السائل المقاس، مما يُسبب أيضًا توهينها. يتوهن الصوت وفقًا لقانون التوهين الأسي لمسافة الانتشار. وعندما يختلف مستوى السائل، تختلف مسافة انتقال الموجة الصوتية، وبالتالي يختلف سعة الموجة المستقبلة بشكل ملحوظ. يبدأ النظام في حساب الوقت عند انبعاث الموجات فوق الصوتية من المجس، ويتوقف عند تجاوز سعة الإشارة المستقبلة العتبة المحددة. ومع تغير مستوى السائل، تتغير سعة الإشارة المستقبلة أيضًا. عندما يكون مستوى السائل منخفضًا نسبيًا، تكون سعة الإشارة المستقبلة صغيرة نسبيًا، وقد يلزم الوصول إلى العتبة عند الذروة الرابعة. أما عندما يكون مستوى السائل مرتفعًا نسبيًا، فتكون سعة الإشارة المستقبلة كبيرة نسبيًا، وقد تصل إلى العتبة عند الذروة الثالثة أو حتى قبلها. وبهذه الطريقة، يكون وقت إيقاف القياس غير مؤكد، وهذا الغموض سيؤدي حتمًا إلى أخطاء في دقة قياس النظام. إذا طُبِّق هذا الخطأ على خزان تخزين نفط تزيد سعته عن 1000 متر مكعب، فسينتج عنه خطأ مطلق كبير، لذا يجب التخلص منه. تتمثل الطريقة البسيطة للتخلص من خطأ زمن العبور في زيادة دائرة التحكم الزمني (TGC)، واستخدام هذه الدائرة لتعويض توهين الموجة الصوتية أثناء عملية الانتشار، بحيث تكون سعة الموجة المستقبلة متماثلة تقريبًا في ظل ظروف مستويات السائل المختلفة، وذلك لتقليل خطأ القياس الناتج عن الضوضاء. ومع ذلك، لا تزال هذه الطريقة تعاني من قيود كبيرة. تتطلب هذه الطريقة التنبؤ بزمن انتشار الموجة الصوتية عند مستويات مختلفة من السائل، وتوهينها في هذه المسافة، ثم رسم منحنى يوضح العلاقة بينهما. بعد ذلك، يتم تصميم دائرة تحكم في كسب الزمن تتوافق مع معادلة هذا المنحنى. وفقًا للتحليل السابق، يُعدّ كل من زمن الانتشار والتوهين عاملين مهمين للغاية، يتأثران بسهولة بالبيئة المحيطة، ولا يمكن مطابقتهما بدقة مع المنحنى المُعد مسبقًا. علاوة على ذلك، حتى لو كان المنحنى المُطابق دقيقًا للغاية، فمن الصعب تصميم دائرة تحكم في كسب الزمن تُطابقه تمامًا.

شركة KAIDI هي المنتج الوحيد لأجهزة قياس مستوى السوائل والمنتجات ذات الصلة.

لمعرفة المزيد عن فوائد مؤشر المستوى المخصص، انتقل إلى مؤشر مستوى كايدي.

يمكن استخدام مقياس المستوى بطرق مختلفة كمؤشر مستوى مخصص.