أسباب وانحلالات انحراف درجة الحرارة في مستشعرات الوزن

في خط التجميع في الإنتاج الصناعي، عندما ترتفع درجة الحرارة المحيطة من 20 درجة مئوية في الصباح الباكر إلى 35 درجة مئوية بعد الظهر، قد تظهر بيانات وزن نفس مجموعة المنتجات انحرافات مستمرة. في مستودعات التبريد، لا يمكن للموازين الإلكترونية في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة العودة أبدًا إلى الصفر عند التفريغ. في أنظمة الوزن الديناميكي على الطرق السريعة، قد تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في الصيف في تقلب بيانات وزن شاحنات الشحن بشكل لا يمكن التنبؤ به. وراء هذه الظواهر تكمن مشكلة شائعة - انحراف درجة حرارة خلايا التحميل. بصفتها "نهايات الأعصاب" للقياس الدقيق، تحدد استقرار درجة حرارة خلايا التحميل بشكل مباشر موثوقية نظام القياس، وأصبح انحراف درجة الحرارة أحد أكثر مصادر الخطأ خفية وتأثيرًا في القياس الصناعي.

انحراف درجة حرارة خلايا التحميل هو في الأساس التداخل الناتج عن التغيرات في درجة الحرارة المحيطة على نظام القياس من خلال مسارين: خصائص المواد والإجهاد الهيكلي. بالنسبة لخلايا التحميل القائمة على مبدأ مقياس الإجهاد، فإن آلية عملها الأساسية هي تحويل التشوه الميكانيكي للجسم المرن إلى إشارات كهربائية قابلة للقياس من خلال مقاييس الإجهاد، وكلاهما من المكونات الرئيسية شديد الحساسية لدرجة الحرارة.

بصفتها مكونًا لاستشعار القوة، تتغير الأبعاد الهندسية والخصائص الميكانيكية للجسم المرن بشكل كبير مع درجة الحرارة. يبلغ معامل التمدد الحراري للفولاذ العادي حوالي 11.5 × 10⁻⁶ / درجة مئوية. عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، قد يؤدي تغير الطول للجسم المرن إلى خطأ هيكلي بنسبة 0.01٪ ~ 0.05٪. يغير تأثير التمدد والانكماش الحراري هذا بشكل مباشر خصائص تشوه الجسم المرن: عندما ترتفع درجة الحرارة، يقل التشوه تحت نفس الحمل، مما يؤدي إلى إشارة إخراج منخفضة؛ عندما تنخفض درجة الحرارة، يزداد التشوه، مما يؤدي إلى إشارة إخراج عالية، مما يشكل "خطأ درجة الحرارة الهيكلية" النموذجية. في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة مثل ورش العمل المعدنية، قد يتضخم هذا الخطأ بشكل أكبر لأن درجات الحرارة المرتفعة المستمرة تقلل من معامل المرونة للمواد المعدنية، مما يتسبب في تشوه أكبر للجسم المرن تحت نفس الحمل.

بصفتها مكونًا لتحويل الإشارات، يتمتع مقياس الإجهاد بحساسية أكثر تعقيدًا لدرجة الحرارة. قيمة المقاومة لمقاييس الإجهاد ذات الرقائق المعدنية (مثل سبيكة كونستانتان، نيكروم) لها معامل درجة حرارة موجب كبير. حتى في الحالة غير المحملة، قد يتسبب تغير درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية في انحراف صفري بنسبة 0.02٪ ~ 0.1٪ FS. والأهم من ذلك، أن معامل الحساسية لمقياس الإجهاد (معدل تغير المقاومة المقابل لتشوه الوحدة) يتقلب أيضًا مع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تغييرات في سعة إشارة الإخراج تحت نفس التشوه. على الرغم من أن مقاييس الإجهاد لأشباه الموصلات تتمتع بحساسية أعلى، إلا أن معامل درجة حرارة المقاومة فيها يتراوح بين 10 و 100 ضعف معامل مقاييس الإجهاد المعدنية، وتبرز مشكلة استقرار درجة الحرارة بشكل أكبر. عندما تكون التدرج الحراري موزعًا بشكل غير متساوٍ داخل المستشعر، فإن تغيرات المقاومة لكل ذراع من الجسر ليست متزامنة، مما يؤدي إلى تفاقم درجة الانحراف الصفري.

تؤثر التغيرات في درجة الحرارة أيضًا على دقة القياس من خلال مسارات غير مباشرة. سوف تتقدم المادة اللاصقة داخل المستشعر في العمر تحت تأثير دورات درجة الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض قوة الترابط بين مقياس الإجهاد والجسم المرن، مما يؤدي إلى إدخال تأخير قياس إضافي. ستصبح الكابلات صلبة وهشة في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة وقد تقل أداء العزل في درجات الحرارة المرتفعة، وكلاهما سيزيد من تداخل الضوضاء في نقل الإشارات. سيؤدي تقلب الجهد في نظام إمداد الطاقة بسبب درجة الحرارة، على الرغم من أنه عادة ما يكون في حدود ± 1٪، إلى حدوث تغيير بنسبة 0.005٪ ~ 0.01٪ في الإخراج الصفري. إن تراكب هذه العوامل يجعل انحراف درجة الحرارة مشكلة معقدة للارتباط متعدد الأبعاد.

 

الحلول المنهجية: من تحسين الأجهزة إلى التعويض الذكي
لحل مشكلة انحراف درجة الحرارة، يجب إنشاء خط دفاع فني متعدد المستويات، يجمع بين تحسين تصميم الأجهزة وتعويض الدوائر وتصحيح الخوارزمية الذكية لتشكيل نظام تحكم في الأخطاء كامل السلسلة. طورت تقنية الوزن الحديثة مجموعة متنوعة من الحلول الناضجة والموثوقة، والتي يمكن تحديدها بمرونة وفقًا لمتطلبات الدقة والظروف البيئية لسيناريوهات التطبيقات المختلفة.
التكيف مع درجة الحرارة على مستوى الأجهزة هو أساس التحكم في الأخطاء. يعد اختيار المواد ذات المعاملات الحرارية المنخفضة هو الاستراتيجية الأساسية. يمكن للجسم المرن استخدام سبائك منخفضة التمدد مثل Invar (مع معامل تمدد حراري يقل عن 1.5 × 10⁻⁶ / درجة مئوية). على الرغم من أن التكلفة مرتفعة نسبيًا، إلا أنها يمكن أن تقلل بشكل كبير من الأخطاء الهيكلية لدرجة الحرارة. بالنسبة لمقاييس الإجهاد، يمكن تحديد منتجات التعويض الذاتي لدرجة الحرارة. عن طريق ضبط تركيبة السبيكة لتتناسب مع معامل درجة حرارة المقاومة مع معامل التمدد الخطي للجسم المرن، يمكن تعويض معظم تأثيرات درجة الحرارة. في البيئات القاسية، يجب استخدام نماذج مستشعرات خاصة: بالنسبة للبيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة (> 60 درجة مئوية)، يجب تحديد المستشعرات ذات المواد اللاصقة والأسلاك المقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة، مع درجة حرارة تشغيل تصل إلى 150 درجة مئوية أو حتى 300 درجة مئوية؛ بالنسبة للبيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة (<-10 درجة مئوية)، يجب استخدام الكابلات المقاومة للبرودة ومكونات الإلكتروليت ذات درجة الحرارة المنخفضة لتجنب تقصف المواد وتدهور الأداء. من حيث تصميم الهيكل الميكانيكي، يمكن أن يؤدي اعتماد تخطيط متماثل وتدابير العزل الحراري إلى تقليل الإجهاد غير المتوازن الناتج عن التدرجات الحرارية. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إضافة وسادة عزل حراري بين المستشعر وقاعدة التركيب إلى تقليل كفاءة توصيل درجة الحرارة البيئية.توفر تقنية تعويض الدوائر طبقة ثانية من الضمان للتحكم في الأخطاء. الأكثر استخدامًا هو أسلوب التعويض بالأجهزة، والذي يعوض تأثير درجة حرارة مقياس الإجهاد عن طريق توصيل مقاومات تعويض درجة الحرارة على التوالي أو بالتوازي في جسر القياس. يستخدم تعويض درجة الحرارة الصفري عادةً مقاوم تعويض مختلفًا عن مادة مقياس الإجهاد، وذلك باستخدام خاصية معامل درجة الحرارة المعاكسة لتحييد الانحراف الصفري؛ يقوم تعويض حساسية درجة الحرارة بضبط جهد الإثارة بالجسر عن طريق توصيل الثرمستور على التوالي في دائرة إمداد الطاقة، مما يقلل من حساسية درجة حرارة إشارة الإخراج. بالنسبة للتطبيقات عالية الدقة، يمكن استخدام شريحة تعويض درجة حرارة مخصصة لمراقبة درجة حرارة المستشعر في الوقت الفعلي وضبط معلمات التعويض ديناميكيًا. تحتوي المستشعرات المتطورة من الشركات المصنعة مثل Futek على شبكات مقاومات تعويض مدمجة متعددة المجموعات، والتي يمكنها التحكم في خطأ درجة الحرارة في حدود 0.005٪ FS / 10 درجة مئوية في نطاق -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية.
تشكل خوارزمية تعويض البرامج البعد الثالث للتحكم في الأخطاء، وهي مناسبة بشكل خاص للسيناريوهات التي تشهد تقلبات شديدة في درجة الحرارة. الفكرة الأساسية هي إنشاء نموذج خطأ درجة الحرارة، وجمع درجة الحرارة المحيطة في الوقت الفعلي من خلال مستشعر درجة الحرارة، ثم تصحيح القيمة المقاسة وفقًا لمنحنى تعويض محدد مسبقًا. في أنظمة التحكم الدقيق مثل STM32، يمكن إنشاء جدول بيانات تعويض درجة الحرارة من خلال التجارب، ويمكن استخدام خوارزمية الاستيفاء الخطي لتحقيق التصحيح في الوقت الفعلي. في حالة معينة، أنشأ المهندسون نقاط تعويض درجة الحرارة عند 10 درجات مئوية و 20 درجة مئوية و 30 درجة مئوية و 40 درجة مئوية و 50 درجة مئوية، وأنشأوا مصفوفة معامل تصحيح الوزن، وقللوا خطأ انحراف درجة الحرارة بأكثر من 60٪ بشرط السماح لدرجة الحرارة بالتقلب.
تعتبر تدابير التحكم البيئي المنهجية ضرورية أيضًا. عن طريق تكييف الهواء والعزل الحراري وتبديد الحرارة، يمكن التحكم في تقلب درجة حرارة بيئة عمل المستشعر في حدود ± 5 درجات مئوية، مما قد يقلل بشكل كبير من الضغط على نظام التعويض. في المناسبات التي تحدث فيها اهتزازات كبيرة، يجب إضافة أجهزة امتصاص الصدمات لتقليل درجة الحرارة الإضافية وتداخل الإجهاد الناتج عن التأثير الميكانيكي. يمكن أن يضمن المعايرة المنتظمة الاستقرار طويل الأجل لتأثير التعويض. يوصى بإجرائها عندما تتغير درجة الحرارة البيئية بشكل كبير في المواسم المختلفة، أو استخدام نظام وزن ذكي مزود بوظيفة المعايرة التلقائية، والتي يمكنها الحفاظ على دقة القياس في حالة عدم وجود مراقبة.
حالات التطبيق المستندة إلى السيناريو: من المختبر إلى الموقع الصناعي

 

يجب دمج حلول انحراف درجة الحرارة بعمق مع سيناريوهات تطبيق محددة. تختلف متطلبات القياس والخصائص البيئية للصناعات المختلفة اختلافًا كبيرًا، مما يحدد أنه يجب تكييف اختيار الحلول التقنية مع الظروف المحلية. من المختبرات الدقيقة إلى البيئات الصناعية القاسية، توفر لنا حالات التطبيق الناجحة خبرة عملية قيمة.
في مجال التخزين البارد للأغذية والأدوية، تبرز مشكلة انحراف درجة الحرارة بشكل خاص. وجد مستودع تبريد كبير أنه عند استخدام خلايا التحميل العادية، كان هناك انحراف بنسبة 2٪ ~ 3٪ في وزن نفس مجموعة البضائع كل يوم بين الصباح الباكر (درجة حرارة المستودع حوالي -18 درجة مئوية) وبعد الظهر (درجة حرارة المستودع حوالي -15 درجة مئوية)، مما أثر بشكل خطير على دقة تسوية التجارة. قام الفريق الفني بحل المشكلة من خلال ثلاث خطوات: أولاً، استبدالها بمستشعر مقاوم لدرجات الحرارة المنخفضة، والذي اعتمد كبله مادة البولي تترافلوروإيثيلين المقاومة للبرودة لضمان المرونة حتى في -30 درجة مئوية؛ ثانيًا، تم تركيب مسبار درجة حرارة PT100 بالقرب من المستشعر، وتوصيل إشارة درجة الحرارة بمؤشر الوزن، ومعايرتها عند نقاط درجة حرارة مختلفة لإنشاء نموذج تعويض مجزأ. بعد التحويل، حتى إذا تقلب درجة حرارة المستودع بين -20 درجة مئوية و -10 درجة مئوية، يمكن التحكم في خطأ القياس في حدود 0.1٪، مما يحل تمامًا مشكلة نزاع القياس في السلسلة الباردة. توضح هذه الحالة أن الجمع بين التكيف مع المواد وتعويض البرامج هو حل فعال في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة.
يواجه سيناريو الوزن في درجات الحرارة المرتفعة في صناعة المعادن تحديات مختلفة تمامًا. في خط إنتاج الصب المستمر لمصنع الصلب، من الضروري وزن مغرفة الصلب عبر الإنترنت. تبلغ درجة حرارة بيئة عمل المستشعر 80 درجة مئوية ~ 120 درجة مئوية، وتظهر المستشعرات العادية انحرافًا واضحًا بعد أسبوع واحد من الاستخدام. يعتمد الحل استراتيجية حماية ثلاثية الطبقات: على المستوى الميكانيكي، تتم إضافة غلاف مبرد بالمياه وحاجز عزل حراري إلى المستشعر للتحكم في درجة حرارة المستشعر نفسه أقل من 60 درجة مئوية؛ على المستوى المادي، يتم تحديد مقاييس إجهاد ذات درجة حرارة عالية (درجة حرارة التشغيل 150 درجة مئوية) ومادة لاصقة معالجة بدرجة حرارة عالية؛ على مستوى البرامج، يتم تطوير خوارزمية تعويض ديناميكية تعتمد على تصفية كالمان، جنبًا إلى جنب مع نموذج التنبؤ بدرجة حرارة الفرن لتصحيح تأثير درجة الحرارة مسبقًا. حافظ النظام المحول على دقة قياس تبلغ 0.2٪ في الإنتاج المستمر، وتم تمديد عمر خدمة المستشعر من أسبوع واحد إلى أكثر من 6 أشهر، مما قلل بشكل كبير من تكاليف الصيانة. يوضح هذا أهمية الحماية الشاملة في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة للغاية.
يواجه نظام الوزن الديناميكي للطرق السريعة عالية السرعة اختبار تقلبات درجة الحرارة الشديدة. في مقاطعة معينة، في منتصف النهار في الصيف، تتسبب أشعة الشمس المباشرة في ارتفاع درجة حرارة خلية التحميل بسرعة، مما يختلف عن درجة الحرارة المحيطة بما يصل إلى 30 درجة مئوية، مما يؤدي إلى انحراف بيانات الوزن بأكثر من 50 كجم في أوقات مختلفة من نفس السيارة. يضيف الحل قناة مرجعية متزامنة إلى مؤشر الوزن، والذي يصحح ميل إشارة الوزن في الوقت الفعلي عن طريق مراقبة انحراف درجة حرارة المقاوم الثابت؛ في الوقت نفسه، يتم تحسين هيكل تركيب المستشعر، باستخدام مواد عزل حراري لمنع أشعة الشمس المباشرة وإضافة تصميم للتهوية وتبديد الحرارة. بعد التحسين، يتم تقليل انحراف درجة حرارة النظام بأكثر من 70٪، وقد اجتاز شهادة الدقة الديناميكية للمعهد الوطني للمقاييس، مما يقلل بشكل فعال من نزاعات الرسوم. تثبت هذه الحالة أن تقنية تعويض الأجهزة في الوقت الفعلي لها مزايا فريدة في السيناريوهات التي تشهد تغيرات سريعة في درجة الحرارة.
تتمتع مجال الوزن الدقيق في المختبر بمتطلبات أكثر صرامة لاستقرار درجة الحرارة. لا يمكن للميزان الإلكتروني في مختبر أبحاث الأدوية اجتياز التحقق من القياس عندما تتغير درجة الحرارة المحيطة بأكثر من 2 درجة مئوية. اعتمد الفنيون حلاً يجمع بين التحكم البيئي وتحسين الخوارزمية: تم تركيب جهاز درجة حرارة ثابتة صغيرة داخل الميزان للتحكم في تقلب درجة حرارة عمل المستشعر في حدود ± 0.5 درجة مئوية؛ تم تطوير نموذج وزن درجة الحرارة بناءً على شبكة عصبية للتنبؤ بالأخطاء وتعويضها من خلال أخذ عينات متعددة النقاط. أخيرًا، حقق النظام دقة قياس تبلغ 0.001٪، وتلبية متطلبات الدقة العالية للبحث والتطوير الصيدلاني. يعكس هذا المسار الفني للتحكم الدقيق في معدات القياس المتطورة.
تكشف هذه الحالات بشكل جماعي عن المبدأ الأساسي لحلول انحراف درجة الحرارة: لا توجد طريقة عالمية تناسب الجميع. بدلاً من ذلك، يجب صياغة حلول مخصصة تدمج المواد والهياكل والدوائر والخوارزميات بناءً على نطاقات درجات الحرارة المحددة ومعدلات التغيير ومتطلبات الدقة. مع تقدم الصناعة 4.0، ستدمج المستشعرات الذكية المزيد من الإدراك البيئي والقدرات التعويضية التكيفية. في المستقبل، ستكون أنظمة الوزن أكثر استباقية في معالجة تحديات تغير درجة الحرارة، مما يوفر أساسًا قياسيًا أكثر موثوقية للتصنيع الذكي.