Ultrasonics Know-How (deel 4): beïnvloeding van de meetnauwkeurigheid

Luchttemperatuur

De luchttemperatuur heeft de grootste impact op de meetnauwkeurigheid van een ultrasone sensor. Nadat de looptijd van de teruggekaatste ultrasone puls werd gemeten, berekent de sensor de afstand tot het voorwerp aan de hand van de snelheid van het geluid. Wanneer de luchttemperatuur echter verandert, verandert ook de snelheid van het geluid met 0,17% per graad Kelvin. Bijna alle ultrasone sensoren van Pepperl+Fuchs beschikken over een temperatuursonde om dit effect te compenseren. Deze sonde meet de omgevingstemperatuur en de sensor corrigeert de temperatuursgebonden vervorming van de meetwaarden (zie temperatuurcompensatie).

Vochtigheid

Vochtigheid heeft betrekkelijk weinig invloed op de snelheid van het geluid bij kamertemperatuur en lagere temperaturen. Bij hoge luchttemperaturen stijgt de snelheid van het geluid echter als de luchtvochtigheid toeneemt.

Luchtdruk

De snelheid van het geluid daalt met minder dan 1% tussen zeeniveau en 3 000 m hoogte. Atmosferische schommelingen op een specifieke locatie zijn verwaarloosbaar en de gevolgen op de snelheid van het geluid zijn nauwelijks meetbaar.

Luchtstromen

Als het voorwerp beschikt over de reflecterende eigenschappen van een standaard reflector, hebben normale luchtstromen (wind) tot snelheden van 7 Bft (50-61,5 km/u) geen effect op ultrasoonmeting. Stormen of orkanen kunnen echter leiden tot onstabiele metingen (met verlies van signaal). Wat veranderingen in de snelheid van het geluid betreft, kunnen geen vaste conclusies worden getrokken. Dit is omdat de richting van de luchtstroom en de snelheid van de luchtstroom constant veranderen. Zo veroorzaken zeer hete voorwerpen, zoals roodgloeiend metaal, aanzienlijke luchtturbulentie. De ultrasone klank kan dan zodanig worden verstrooid of afgebogen dat er geen waarneembare echo wordt teruggekaatst.

Verfnevel

Verfnevel heeft geen merkbare invloed op de werking van ultrasone sensoren. Men zorgt er echter best voor dat de nevel niet op het actieve omvormeroppervlak blijft liggen om de gevoeligheid van de omvormer te vrijwaren.

Omgevingsgeluid

Omgevingsgeluid wordt onderscheiden van de beoogde echosignalen en veroorzaakt in het algemeen geen storingen. Als de bron van een storing echter dezelfde frequentie heeft als de ultrasone sensor mag het niveau van het omgevingsgeluid het niveau van de beoogde echosignalen niet overschrijden. Dit komt bijvoorbeeld voor wanneer een silo met steen wordt gevuld.

Soorten gas

De ultrasone sensoren van Pepperl+Fuchs worden ontworpen voor gebruik in atmosferische lucht. Gebruik in andere gassen (bijv. in kooldioxide) kan belangrijke fouten in de meetwaarden veroorzaken of kan zelfs tot een totaal functioneringsverlies leiden ten gevolge van de afwijkingen in de snelheid van het geluid en geluidsdemping.

Ultrasone sensoren werken op basis van geluidslooptijdmeting, wat betekent dat de tijd die verstrijkt tussen de verzending van de ultrasone puls en het opvangen van het echosignaal in aanmerking wordt genomen. De ultrasone sensor berekent de afstand tot het voorwerp aan de hand van de snelheid van het geluid. Wanneer geluid wordt voortgeplant in lucht bedraagt de snelheid van het geluid bij kamertemperatuur ongeveer 344 m/s. De snelheid van het geluid is echter temperatuurgebonden en verandert met ongeveer 0,17% per graad Celsius. Deze veranderingen beïnvloeden de looptijd en kunnen de gemeten afstand vervormen. De meeste ultrasone sensoren van Pepperl+Fuchs hebben een temperatuurbereik van -25° C tot +70° C.

Zonder temperatuurcompensatie en op een meetafstand van 100 cm zou een temperatuurverandering van 20° C een meetfout van -8.5 cm opleveren bij 70° C en +7.65 cm bij -25° C.

Daarom beschikt het merendeel van deze ultrasone sensoren over een temperatuursonde, waarvan de metingen worden gebruikt om de gemeten afstanden te corrigeren. Deze compensatie beslaat het volledige meetbereik van de ultrasone sensoren, van -25° C tot +70° C, en maakt het mogelijk om een meetnauwkeurigheid van ongeveer ±1.5% te realiseren.

Nauwkeurigheid/absolute nauwkeurigheid verwijst naar het verschil tussen de uitgangswaarde die wordt geregistreerd door de ultrasone sensor en de feitelijke afstand tot het voorwerp. Vanuit praktisch oogpunt is een absolute nauwkeurigheid van 1% tot 3% realistisch haalbaar bij het gebruik van ultrasone sensoren in industriële toepassingen met een temperatuurbereik van -25° C tot +70° C. Een hogere nauwkeurigheid kan echter worden gerealiseerd onder zeer stabiele omgevingsvoorwaarden. In dergelijke gevallen wordt aangeraden de temperatuurcompensatie uit te schakelen (met behulp van de programmeringsoftware).

Een andere optie is een ultrasone referentiesensor te gebruiken. Deze aanpak voorziet de montage van een tweede sensor van hetzelfde type parallel aan de meetsensor en de uitlijning ervan met een vast voorwerp. Wanneer de omgevingsomstandigheden in het meetbereik veranderen, zal de afstand tot het voorwerp ook lijken te veranderen ten gevolge van de gewijzigde snelheid van het geluid. De meetwaarde moet dan worden aangepast met de waarde van deze fout.