علل و راه حل های رانش دما در حسگرهای وزن

توسط خط مونتاژ در تولید صنعتی، هنگامی که دمای محیط از 20 درجه سانتیگراد در صبح زود به 35 درجه سانتیگراد در بعد از ظهر افزایش می یابد، داده های وزن یک دسته از محصولات ممکن است انحرافات مداومی را نشان دهند. در انبارهای سردخانه، ترازوهای الکترونیکی در محیط های با دمای پایین هرگز پس از تخلیه به صفر باز نمی گردند. در سیستم های توزین دینامیکی در بزرگراه ها، دمای بالای تابستان ممکن است باعث شود داده های وزن کامیون های حمل بار به طور غیرقابل پیش بینی نوسان داشته باشد. در پشت این پدیده ها یک مشکل مشترک نهفته است - رانش دمای سلول های بار. به عنوان "پایانه های عصبی" اندازه گیری دقیق، پایداری دمای سلول های بار به طور مستقیم قابلیت اطمینان سیستم اندازه گیری را تعیین می کند و رانش دما به یکی از پنهان ترین و تأثیرگذارترین منابع خطا در اندازه گیری صنعتی تبدیل شده است.

رانش دمای سلول های بار اساساً تداخلی است که توسط تغییرات دمای محیط به سیستم اندازه گیری از طریق دو مسیر ایجاد می شود: خواص مواد و تنش ساختاری. برای سلول های بار مبتنی بر اصل کرنش سنج، مکانیسم اصلی کار آنها تبدیل تغییر شکل مکانیکی بدنه الاستیک به سیگنال های الکتریکی قابل اندازه گیری از طریق کرنش سنج ها است و هر دوی این اجزای کلیدی نسبت به دما بسیار حساس هستند.

به عنوان یک جزء حسگر نیرو، ابعاد هندسی و خواص مکانیکی بدنه الاستیک با دما به طور قابل توجهی تغییر می کند. ضریب انبساط حرارتی فولاد معمولی تقریباً 11.5×10⁻⁶/درجه سانتیگراد است. هنگامی که دما 10 درجه سانتیگراد تغییر می کند، تغییر طول بدنه الاستیک ممکن است منجر به خطای ساختاری 0.01٪ تا 0.05٪ شود. این اثر انبساط و انقباض حرارتی به طور مستقیم ویژگی های تغییر شکل بدنه الاستیک را تغییر می دهد: هنگامی که دما افزایش می یابد، تغییر شکل تحت بار یکسان کاهش می یابد و در نتیجه سیگنال خروجی کم می شود. هنگامی که دما کاهش می یابد، تغییر شکل افزایش می یابد و در نتیجه سیگنال خروجی بالا می شود و یک "خطای دمای ساختاری" معمولی ایجاد می شود. در محیط های با دمای بالا مانند کارگاه های متالورژی، این خطا ممکن است بیشتر شود زیرا دمای بالای مداوم باعث کاهش مدول الاستیسیته مواد فلزی می شود و باعث می شود بدنه الاستیک تحت بار یکسان تغییر شکل بیشتری ایجاد کند.

به عنوان یک جزء تبدیل سیگنال، کرنش سنج حساسیت دمایی پیچیده تری دارد. مقدار مقاومت کرنش سنج های فویل فلزی (مانند آلیاژ Constantan، Nichrome) دارای ضریب دمایی مثبت قابل توجهی است. حتی در حالت بدون بار، تغییر دما به میزان 10 درجه سانتیگراد ممکن است باعث رانش صفر 0.02٪ تا 0.1٪ FS شود. مهمتر از آن، ضریب حساسیت کرنش سنج (نرخ تغییر مقاومت متناظر با تغییر شکل واحد) نیز با دما نوسان می کند و در نتیجه تغییراتی در دامنه سیگنال خروجی تحت تغییر شکل یکسان ایجاد می شود. اگرچه کرنش سنج های نیمه هادی حساسیت بالاتری دارند، اما ضریب دمای مقاومت آنها 10 تا 100 برابر بیشتر از کرنش سنج های فلزی است و مشکل پایداری دما برجسته تر است. هنگامی که گرادیان دما به طور ناهموار در داخل حسگر توزیع می شود، تغییرات مقاومت هر بازوی پل همزمان نمی شود که این امر درجه رانش صفر را بیشتر می کند.

تغییرات دما همچنین از طریق مسیرهای غیرمستقیم بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد. چسب داخل حسگر تحت تأثیر چرخه های دما پیر می شود و منجر به کاهش استحکام پیوند بین کرنش سنج و بدنه الاستیک می شود و تاخیر اندازه گیری اضافی را ایجاد می کند. کابل ها در محیط های با دمای پایین سفت و شکننده می شوند و ممکن است عملکرد عایق خود را در دماهای بالا کاهش دهند که هر دو باعث افزایش تداخل نویز در انتقال سیگنال می شوند. نوسان ولتاژ سیستم منبع تغذیه به دلیل دما، اگرچه معمولاً در محدوده ±1٪ است، اما باعث تغییر 0.005٪ تا 0.01٪ در خروجی صفر نیز می شود. روی هم قرار گرفتن این عوامل، رانش دما را به یک مشکل پیچیده از کوپلینگ چند بعدی تبدیل می کند.

 

راه حل های سیستماتیک: از بهینه سازی سخت افزار تا جبران هوشمند
برای حل مشکل رانش دما، یک خط دفاعی فنی چند سطحی باید ایجاد شود که ترکیبی از بهینه سازی طراحی سخت افزار، جبران مدار و اصلاح الگوریتم هوشمند برای تشکیل یک سیستم کنترل خطا با زنجیره کامل است. فناوری توزین مدرن انواع راه حل های بالغ و قابل اعتماد را توسعه داده است که می تواند با توجه به الزامات دقت و شرایط محیطی سناریوهای مختلف کاربردی به طور انعطاف پذیر انتخاب شود.
سازگاری با دما در سطح سخت افزار، اساس کنترل خطاها است. انتخاب مواد با ضریب دمایی کم، استراتژی اصلی است. بدنه الاستیک می تواند از آلیاژهای با انبساط کم مانند Invar (با ضریب انبساط حرارتی فقط زیر 1.5×10⁻⁶/درجه سانتیگراد) استفاده کند. اگرچه هزینه نسبتاً بالایی دارد، اما می تواند خطاهای دمای ساختاری را به طور قابل توجهی کاهش دهد. برای کرنش سنج ها، می توان محصولات خود جبران کننده دما را انتخاب کرد. با تنظیم ترکیب آلیاژ برای مطابقت با ضریب دمای مقاومت با ضریب انبساط خطی بدنه الاستیک، می توان بیشتر اثرات دما را جبران کرد. در محیط های شدید، مدل های حسگر ویژه باید استفاده شوند: برای محیط های با دمای بالا (بیشتر از 60 درجه سانتیگراد)، حسگرهایی با چسب ها و سیم های مقاوم در برابر دمای بالا باید انتخاب شوند که دمای کار تا 150 درجه سانتیگراد یا حتی 300 درجه سانتیگراد داشته باشند. برای محیط های با دمای پایین (<-10 درجه سانتیگراد)، کابل های مقاوم در برابر سرما و اجزای الکترولیت با دمای پایین باید استفاده شوند تا از شکنندگی مواد و تخریب عملکرد جلوگیری شود. از نظر طراحی ساختار مکانیکی، اتخاذ یک طرح متقارن و اقدامات جداسازی حرارتی می تواند تنش نامتعادل ناشی از گرادیان های دما را کاهش دهد. به عنوان مثال، افزودن یک پد عایق حرارتی بین حسگر و پایه نصب می تواند راندمان هدایت دمای محیط را کاهش دهد.
فناوری جبران مدار، لایه دوم تضمین را برای کنترل خطاها فراهم می کند. متداول ترین روش، روش جبران سخت افزاری است که اثر دما را بر کرنش سنج با اتصال مقاومت های جبران دما به صورت سری یا موازی در پل اندازه گیری جبران می کند. جبران دمای صفر معمولاً از یک مقاومت جبران کننده متفاوت از مواد کرنش سنج استفاده می کند و از ویژگی ضریب دمایی مخالف آن برای خنثی کردن رانش صفر استفاده می کند. جبران دمای حساسیت، ولتاژ تحریک پل را با اتصال یک ترمیستور به صورت سری در مدار منبع تغذیه تنظیم می کند و حساسیت دمایی سیگنال خروجی را کاهش می دهد. برای کاربردهای با دقت بالا، می توان از یک تراشه جبران دمای اختصاصی برای نظارت بر دمای حسگر در زمان واقعی و تنظیم پویا پارامترهای جبران استفاده کرد. حسگرهای پیشرفته از تولیدکنندگانی مانند Futek دارای شبکه های مقاومت جبران کننده چند گروهی داخلی هستند که می توانند خطای دما را در محدوده -40 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد در 0.005٪ FS/10 درجه سانتیگراد کنترل کنند.
جبران الگوریتم نرم افزاری، بعد سوم کنترل خطا را تشکیل می دهد، به ویژه برای سناریوهایی با نوسانات شدید دما مناسب است. ایده اصلی این است که یک مدل خطای دما ایجاد کنید، دمای محیط را در زمان واقعی از طریق یک حسگر دما جمع آوری کنید و سپس مقدار اندازه گیری شده را با توجه به یک منحنی جبران از پیش تعیین شده اصلاح کنید. در سیستم های میکروکنترلر مانند STM32، یک جدول داده جبران دما را می توان از طریق آزمایش ها ایجاد کرد و از یک الگوریتم درون یابی خطی برای دستیابی به اصلاح در زمان واقعی استفاده کرد. در یک مورد خاص، مهندسان نقاط جبران دما را در 10 درجه سانتیگراد، 20 درجه سانتیگراد، 30 درجه سانتیگراد، 40 درجه سانتیگراد و 50 درجه سانتیگراد ایجاد کردند، یک ماتریس ضریب اصلاح وزن ایجاد کردند و خطای رانش دما را بیش از 60٪ تحت شرایط اجازه نوسان دما کاهش دادند.
اقدامات کنترل محیطی سیستماتیک نیز ضروری است. با استفاده از تهویه مطبوع، عایق حرارتی و اتلاف حرارت، نوسان دمای محیط کار حسگر را می توان در محدوده ±5 درجه سانتیگراد کنترل کرد که می تواند فشار بر سیستم جبران را تا حد زیادی کاهش دهد. در مواردی که لرزش های زیادی وجود دارد، دستگاه های جذب ضربه باید اضافه شوند تا تداخل دمایی و تنشی اضافی ناشی از ضربه مکانیکی کاهش یابد. کالیبراسیون منظم می تواند پایداری طولانی مدت اثر جبران را تضمین کند. توصیه می شود این کار را زمانی انجام دهید که دمای محیط در فصول مختلف به طور قابل توجهی تغییر می کند، یا از یک سیستم توزین هوشمند با عملکرد کالیبراسیون خودکار استفاده کنید که می تواند دقت اندازه گیری را در شرایط بدون مراقبت حفظ کند.

 

موارد کاربردی مبتنی بر سناریو: از آزمایشگاه تا سایت صنعتی
راه حل های رانش دما باید عمیقاً با سناریوهای کاربردی خاص ادغام شوند. الزامات اندازه گیری و ویژگی های محیطی صنایع مختلف بسیار متفاوت است که تعیین می کند انتخاب راه حل های فنی باید با شرایط محلی سازگار باشد. از آزمایشگاه های دقیق تا محیط های صنعتی خشن، موارد کاربردی موفق، تجربه عملی ارزشمندی را در اختیار ما قرار می دهند.
در زمینه ذخیره سازی زنجیره سرد مواد غذایی و دارو، مشکل رانش دما بسیار برجسته است. یک سردخانه بزرگ متوجه شد که هنگام استفاده از سلول های بار معمولی، انحرافی 2٪ تا 3٪ در وزن کردن همان دسته از کالاها هر روز بین صبح زود (دمای انبار حدود -18 درجه سانتیگراد) و بعد از ظهر (دمای انبار حدود -15 درجه سانتیگراد) وجود دارد که به طور جدی بر دقت تسویه حساب تجاری تأثیر می گذارد. تیم فنی مشکل را از طریق سه مرحله حل کرد: ابتدا، آن را با یک حسگر مقاوم در برابر دمای پایین جایگزین کرد که کابل آن از مواد پلی تترا فلوئورواتیلن مقاوم در برابر سرما استفاده می کرد تا انعطاف پذیری را حتی در -30 درجه سانتیگراد تضمین کند. دوم، یک پروب دمای PT100 در نزدیکی حسگر نصب کرد، سیگنال دما را به نشانگر توزین متصل کرد و در نقاط دمایی مختلف کالیبره کرد تا یک مدل جبران قطعه ای ایجاد کند. پس از تبدیل، حتی اگر دمای انبار بین -20 درجه سانتیگراد و -10 درجه سانتیگراد نوسان داشته باشد، خطای اندازه گیری را می توان در 0.1٪ کنترل کرد و به طور کامل مشکل اختلاف اندازه گیری زنجیره سرد را حل کرد. این مورد نشان می دهد که ترکیب سازگاری مواد و جبران نرم افزاری یک راه حل موثر در محیط های با دمای پایین است.
سناریوی توزین با دمای بالا در صنعت متالورژی با چالش های کاملاً متفاوتی روبرو است. در خط تولید ریخته گری مداوم یک کارخانه فولاد، لازم است پاتیل فولادی را به صورت آنلاین وزن کنید. دمای محیط کار حسگر به 80 درجه سانتیگراد تا 120 درجه سانتیگراد می رسد و حسگرهای معمولی پس از یک هفته استفاده، رانش آشکاری را نشان می دهند. این راه حل یک استراتژی حفاظت سه لایه را اتخاذ می کند: در سطح مکانیکی، یک ژاکت خنک کننده با آب و یک بافل عایق حرارتی به حسگر اضافه می شود تا دمای خود حسگر را زیر 60 درجه سانتیگراد کنترل کند. در سطح سخت افزاری، کرنش سنج های با دمای بالا (دمای کار 150 درجه سانتیگراد) و چسب پخت با دمای بالا انتخاب می شوند. در سطح نرم افزاری، یک الگوریتم جبران دینامیکی مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه داده شده است که با یک مدل پیش بینی دمای کوره ترکیب شده است تا تأثیر دما را از قبل اصلاح کند. سیستم تبدیل شده دقت اندازه گیری 0.2٪ را در تولید مداوم حفظ کرد و عمر مفید حسگر از 1 هفته به بیش از 6 ماه افزایش یافت و هزینه های نگهداری را به طور قابل توجهی کاهش داد. این امر اهمیت حفاظت جامع در محیط های با دمای بسیار بالا را نشان می دهد.
سیستم توزین دینامیکی بزرگراه با سرعت بالا با آزمایش نوسانات دمای 剧烈 روبرو است. در یک استان خاص، در ظهر تابستان، نور مستقیم خورشید باعث می شود دمای سلول بار به سرعت افزایش یابد و تا 30 درجه سانتیگراد با دمای محیط متفاوت باشد و در نتیجه انحراف داده های وزن بیش از 50 کیلوگرم در زمان های مختلف همان وسیله نقلیه ایجاد می شود. این راه حل یک کانال مرجع همزمان را به نشانگر توزین اضافه می کند که شیب سیگنال توزین را در زمان واقعی با نظارت بر رانش دمای مقاومت ثابت اصلاح می کند. در عین حال، ساختار نصب حسگر بهینه شده است و از مواد عایق حرارتی برای مسدود کردن نور مستقیم خورشید و افزودن طراحی تهویه و اتلاف حرارت استفاده می شود. پس از بهبود، رانش دمای سیستم بیش از 70٪ کاهش یافته است و گواهینامه دقت دینامیکی موسسه ملی اندازه شناسی را دریافت کرده است و به طور موثر اختلافات عوارض را کاهش می دهد. این مورد ثابت می کند که فناوری جبران سخت افزاری در زمان واقعی در سناریوهایی با تغییرات سریع دما دارای مزایای منحصر به فردی است.
زمینه توزین دقیق آزمایشگاهی الزامات سختگیرانه تری برای پایداری دما دارد. ترازوی الکترونیکی در یک آزمایشگاه تحقیقات دارویی نمی تواند تأیید اندازه شناسی را زمانی که دمای محیط بیش از 2 درجه سانتیگراد تغییر می کند، پشت سر بگذارد. پرسنل فنی یک راه حل ترکیبی از کنترل محیطی و بهینه سازی الگوریتم را اتخاذ کردند: یک دستگاه دمای ثابت میکرو در داخل ترازو نصب شد تا نوسان دمای کار حسگر را در محدوده ±0.5 درجه سانتیگراد کنترل کند. یک مدل وزن-دما مبتنی بر شبکه عصبی برای پیش بینی و جبران خطاها از طریق نمونه برداری چند نقطه ای توسعه داده شد. در نهایت، این سیستم به دقت اندازه گیری 0.001٪ دست یافت و الزامات با دقت بالا تحقیقات و توسعه دارویی را برآورده کرد. این امر مسیر فنی کنترل دقیق در تجهیزات اندازه شناسی پیشرفته را منعکس می کند.