Informace o ultrazvukových senzorech (4. část): Vliv na přesnost měření

Teplota vzduchu

Největší vliv na přesnost měření ultrazvukovým senzorem má teplota vzduchu. Po změření doby přenosu ozvěny odraženého ultrazvukového impulzu senzor vypočítá vzdálenost k objektu na základě rychlosti zvuku. Změna teploty vzduchu ale vede ke změně rychlosti zvuku o 0,17 % na každý stupeň. Téměř všechny ultrazvukové senzory Pepperl+Fuchs mají teplotní sondu pro kompenzaci tohoto vlivu. Sonda měří teplotu prostředí a senzor zavede korekci měřené hodnoty podle teploty (viz teplotní kompenzace).

Vlhkost

Vlhkost má při pokojové nebo nižší teplotě zanedbatelný vliv na rychlost zvuku. Při vyšších teplotách vzduchu ale s rostoucí vlhkostí roste i rychlost zvuku.

Tlak vzduchu

Rozdíl v rychlosti vzduchu mezi úrovní hladiny moře a nadmořskou výškou 3000 m je necelé 1 %. Atmosférické fluktuace v daném místě jsou zanedbatelné a jejich vliv na rychlost zvuku je téměř neměřitelný.

Proudění vzduchu

Má‑li objekt odrazivý povrch o standardních parametrech, nemá rovnoměrné proudění vzduchu (vítr) žádný vliv na ultrazvukové měření do rychlosti 7 kn (50–61,5 km/h). Při bouřce nebo hurikánu může být měření nestabilní (se ztrátou signálu). Pokud jde o změny rychlosti zvuku, nelze vyslovit jednoznačný závěr. Důvodem je to, že směr proudění vzduchu a rychlost proudění vzduchu se neustále mění. Zejména horké předměty (např. rozžhavený kov) vyvolávají silné turbulence vzduchu. Ultrazvuk se pak může rozptylovat nebo odrážet tak, že nezískáme žádnou ozvěnu, kterou by bylo možno vyhodnotit.

Aerosol z nátěrových látek

Aerosol z nátěrových látek nemá na funkci ultrazvukových senzorů žádný měřitelný vliv. Je ale třeba dbát na to, aby se nátěrová látka neusazovala na aktivní ploše senzoru, protože by mohlo dojít ke snížení citlivosti senzoru.

Externí šum

Šum z externích zdrojů lze snadno odlišit od přepokládaných ozvěn a obecně nezpůsobuje žádné problémy. Má‑li zdroj rušení stejnou frekvenci jako ultrazvukový senzor, nesmí úroveň externího šumu překročit intenzitu ozvěn. To může nastat například při plnění sila kamenivem.

Typy plynů

Ultrazvukové senzory společnosti Pepperl+Fuchs jsou určeny k použití ve vzduchu. Použití v prostředí s jiným plynem (např. oxidem uhličitým) může vést k závažným chybám měření nebo dokonce k úplné nefunkčnosti vlivem odchylek v rychlosti zvuku a v útlumu.

Ultrazvukové senzory fungují na principu měření doby ozvěny, tj. měření doby, která uběhne mezi emisí ultrazvukového impulzu a příjmem jeho ozvěny. Ultrazvukový senzor vypočítá vzdálenost k objektu na základě rychlosti zvuku. Ve vzduchu činí rychlost zvuku asi 344 m/s při pokojové teplotě. Rychlost zvuku ale závisí na teplotě: na každý stupeň Celsia připadá změna asi o 0,17 %. Tyto změny mají vliv na dobu ozvěny a mohou zkreslovat vypočtenou vzdálenost. Většina ultrazvukových senzorů společnosti Pepperl+Fuchs má pracovní rozsah -25 až +70 °C.

Bez teplotní kompenzace a při měřené vzdálenosti 100 cm způsobí změna teploty o 20 °C chybu měření -8,5 cm při teplotě 70° C, resp. +7,65 cm při teplotě -25 °C.

Většina těchto ultrazvukových senzorů je proto vybavena teplotní sondou, jejíž měření je použito ke korekci měřené vzdálenosti. Tato kompenzace funguje v celém pracovním rozsahu ultrazvukového senzoru, tj. od -25 do +70 °C, a umožňuje dosáhnout přesnosti měření asi ±1,5 %.

Pojem přesnost/absolutní přesnost označuje rozdíl mezi výstupní hodnotou naměřenou ultrazvukovým senzorem a skutečnou vzdáleností k objektu. V praxi lze v průmyslových aplikacích ultrazvukových senzorů v pracovním rozsahu -25 °C až +70 °C realisticky očekávat absolutní přesnost 1 až 3 %. Vyšší přesnosti lze dosáhnout pouze ve velmi stabilním prostředí. V těchto případech se doporučuje vypnout teplotní kompenzaci (pomocí programátoru).

Další možností je použití referenčního ultrazvukového senzoru. Toto řešení spočívá v tom, že rovnoběžně s měřicím senzorem instalujeme ještě druhý senzor, který namíříme na nehybný objekt. Jestliže se změní podmínky prostředí v místě měření, změní se vlivem jiné rychlosti zvuku i měřená vzdálenost k tomuto objektu. Naměřenou hodnotu je poté nutno opravit o chybu zjištěnou tímto měřením.