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Conoscenza dei sensori a ultrasuoni (Parte 4): influenze sull'accuratezza delle misurazioni

Ultrasonic sensor in cold environment
Un'accuratezza assoluta dell'1% - 3% è realistica nelle applicazioni industriali dei sensori a ultrasuoni nella gamma operativa da -25 °C a +70 °C

Nel caso dei sensori a ultrasuoni, l'accuratezza delle misurazioni si riferisce normalmente all'accuratezza assoluta del valore misurato all'uscita analogica. In base al tempo di transito dell'eco, l'accuratezza delle misurazioni di un sensore a ultrasuono dipende da vari parametri fisici, relativi sia all'aria che alle tolleranze interne.

Influssi ambientali

Temperatura dell'aria

La temperatura dell'aria ha l'impatto maggiore sull'accuratezza delle misurazioni di un sensore a ultrasuono. Dopo avere misurato il tempo di transito dell'impulso a ultrasuoni riflesso, il sensore calcola la distanza dall'oggetto basandosi sulla velocità del suono. Tuttavia, con il variare della temperatura dell'aria, la velocità del suono cambia dello 0,17% per grado Kelvin. Quasi tutti i sensori a ultrasuoni Pepperl+Fuchs sono dotati di un sensore di temperatura esterno per compensare questo effetto. Questo misura la temperatura ambiente, e il sensore corregge la distorsione dei valori misurati dovuta alla variazione della temperatura stessa (vedere compensazione della temperatura).

Umidità

L'umidità ha un effetto trascurabile sulla velocità del suono a temperatura ambiente e a temperature inferiori. Tuttavia, a temperature dell'aria più elevate, la velocità del suono aumenta insieme all'umidità.

Pressione dell'aria

La velocità del suono diminuisce meno dell'1% tra il livello del mare e 3.000 m di altezza. Le fluttuazioni atmosferiche in un sito specifico sono trascurabili e gli effetti sulla velocità del suono sono appena misurabili.

Correnti d'aria

Se l'oggetto ha le proprietà riflettenti del riflettore standard, le normali correnti d'aria (vento) non hanno alcun effetto sulle misurazioni a ultrasuoni fino a una forza di 7 Bft (50-61,5 km/h). Condizioni di forte vento o uragani possono causare misurazioni instabili (con perdita di segnale). Per quanto riguarda le variazioni della velocità del suono, non è possibile trarre conclusioni generali, poiché la direzione delle correnti d'aria e la velocità delle correnti d'aria cambiano continuamente. Ad esempio, gli oggetti particolarmente caldi, come il metallo incandescente, causano turbolenze d'aria significative. Gli ultrasuoni possono essere diffusi o deviati in modo tale da non restituire un'eco valutabile.

Vernice nebulizzata

La vernice nebulizzata non ha alcun effetto rilevabile sul funzionamento dei sensori a ultrasuoni. Tuttavia è necessario evitare che le particelle nebulizzate si posino sulla superficie attiva del trasduttore, per non compromettere la sensibilità del trasduttore.

Rumore esterno

Il rumore esterno è distinto dagli echi dell'oggetto desiderati e generalmente non causa errori. Se la fonte del disturbo ha la stessa frequenza del sensore a ultrasuono, il livello di rumore esterno non deve superare il livello degli echi degli oggetti. Questo può verificarsi ad esempio quando si riempie un silo di pietra.

Tipi di gas

I sensori a ultrasuoni di Pepperl+Fuchs sono progettati per funzionare nell'aria atmosferica. Il funzionamento in altri gas (ad esempio anidride carbonica) può causare gravi errori di misurazione o addirittura un arresto completo a causa delle deviazioni nella velocità del suono e nell'attenuazione.


Compensazione della temperatura

I sensori a ultrasuoni sfruttano il metodo del tempo di transito dell'eco, ovvero la valutazione del tempo trascorso tra l'emissione dell'impulso a ultrasuoni e il momento in cui viene ricevuta l'eco. Il sensore a ultrasuono calcola la distanza dell'oggetto in base alla velocità del suono. Quando il suono si propaga nell'aria, la velocità del suono è di circa 344 m/s a temperatura ambiente. Tuttavia, la velocità del suono dipende dalla temperatura, con una variazione approssimativa dello 0,17% per ogni grado Celsius. Queste variazioni influiscono sul tempo di transito e possono distorcere la distanza calcolata. La maggior parte dei sensori a ultrasuoni di Pepperl+Fuchs ha una gamma operativa compresa tra -25 °C e +70 °C.

Senza compensazione della temperatura e a una distanza di misurazione di 100 cm, una variazione della temperatura di 20 °C produrrebbe un errore di misurazione di -8,5 cm a 70 °C e +7,65 cm a -25 °C.

Di conseguenza, la maggior parte di questi sensori a ultrasuoni è dotata di sensori di temperatura esterni le cui misurazioni vengono utilizzate per correggere le distanze misurate. Questa compensazione viene eseguita sull'intera gamma operativa dei sensori a ultrasuoni, da -25 °C a +70 °C, e consente di ottenere una precisione di misurazione di circa ±1,5%.


Accuratezza

I termini "accuratezza" o "accuratezza assoluta" si riferiscono alla differenza tra il valore di uscita misurato dal sensore a ultrasuono e la distanza reale dell'oggetto. Da un punto di vista pratico, un'accuratezza assoluta dall'1% al 3% è realistica nelle applicazioni industriali dei sensori a ultrasuoni nella gamma operativa da -25 °C a +70 °C. In condizioni ambientali molto stabili è possibile ottenere un'accuratezza superiore. In questo caso, è consigliabile disattivare la compensazione della temperatura utilizzando lo strumento di programmazione.

Un'altra possibilità è utilizzare un sensore a ultrasuono di riferimento. Questo approccio consiste nell'installare un secondo sensore dello stesso tipo in posizione parallela al sensore di misurazione e allinearlo a un oggetto fisso. Se le condizioni ambientali nell'area di misurazione cambiano, anche la distanza dall'oggetto sembrerà cambiata, a causa della variazione nella velocità del suono. Il valore di misurazione dovrà quindi essere corretto applicando il valore di questo errore.


Finalmente disponibile: Guida alla tecnologia dei sensori ad ultrasuoni