สาเหตุและแนวทางแก้ไขปัญหาค่าความคลาดเคลื่อนของอุณหภูมิในเซ็นเซอร์วัดน้ำหนัก

ในการผลิตในอุตสาหกรรม เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้นจาก 20ºC ในช่วงเช้าตรู่เป็น 35ºC ในช่วงบ่าย ข้อมูลการชั่งน้ำหนักของผลิตภัณฑ์ชุดเดียวกันอาจแสดงค่าเบี่ยงเบนอย่างต่อเนื่อง ในคลังสินค้าห้องเย็น เครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำจะไม่สามารถกลับไปเป็นศูนย์ได้เมื่อขนถ่าย ในระบบการชั่งน้ำหนักแบบไดนามิกบนทางหลวง อุณหภูมิสูงในฤดูร้อนอาจทำให้ข้อมูลการชั่งน้ำหนักของรถบรรทุกสินค้าผันผวนอย่างคาดเดาไม่ได้ เบื้องหลังปรากฏการณ์เหล่านี้คือปัญหาทั่วไป — การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของโหลดเซลล์ ในฐานะที่เป็น "ปลายประสาท" ของการวัดที่แม่นยำ ความเสถียรของอุณหภูมิของโหลดเซลล์เป็นตัวกำหนดความน่าเชื่อถือของระบบการวัดโดยตรง และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้กลายเป็นหนึ่งในแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่ซ่อนอยู่และมีอิทธิพลมากที่สุดในการวัดทางอุตสาหกรรม

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของโหลดเซลล์เป็นหลักคือการรบกวนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อมต่อระบบการวัดผ่านสองเส้นทาง: คุณสมบัติของวัสดุและความเครียดของโครงสร้าง สำหรับโหลดเซลล์ที่ใช้หลักการของเกจวัดความเครียด กลไกการทำงานหลักคือการแปลงการเสียรูปทางกลของตัวถังยืดหยุ่นให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่วัดได้ผ่านเกจวัดความเครียด และส่วนประกอบสำคัญทั้งสองนี้มีความไวต่ออุณหภูมิอย่างยิ่ง

ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบที่รับรู้แรง ขนาดทางเรขาคณิตและคุณสมบัติทางกลของตัวถังยืดหยุ่นจะเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามอุณหภูมิ สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเหล็กธรรมดาอยู่ที่ประมาณ 11.5×10⁻⁶/ºC เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 10ºC การเปลี่ยนแปลงความยาวของตัวถังยืดหยุ่นอาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดของโครงสร้าง 0.01%~0.05% ผลกระทบจากการขยายตัวและการหดตัวทางความร้อนนี้จะเปลี่ยนลักษณะการเสียรูปของตัวถังยืดหยุ่นโดยตรง: เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การเสียรูปภายใต้ภาระเดียวกันจะลดลง ส่งผลให้สัญญาณเอาต์พุตต่ำ เมื่ออุณหภูมิลดลง การเสียรูปจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้สัญญาณเอาต์พุตสูง สร้าง "ข้อผิดพลาดของอุณหภูมิโครงสร้าง" ทั่วไป ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เช่น เวิร์กช็อปโลหะวิทยา ข้อผิดพลาดนี้อาจถูกขยายเพิ่มเติมเนื่องจากอุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่องจะลดโมดูลัสยืดหยุ่นของวัสดุโลหะ ทำให้ตัวถังยืดหยุ่นเกิดการเสียรูปมากขึ้นภายใต้ภาระเดียวกัน

ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบการแปลงสัญญาณ เกจวัดความเครียดมีความไวต่ออุณหภูมิที่ซับซ้อนกว่า ค่าความต้านทานของเกจวัดความเครียดฟอยล์โลหะ (เช่น โลหะผสม Constantan, Nichrome) มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวกที่สำคัญ แม้ในสถานะที่ไม่มีการโหลด การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ 10ºC อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นศูนย์ 0.02%~0.1% FS ที่สำคัญกว่านั้น สัมประสิทธิ์ความไวของเกจวัดความเครียด (อัตราการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่สอดคล้องกับการเสียรูปของหน่วย) ยังผันผวนตามอุณหภูมิ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในแอมพลิจูดสัญญาณเอาต์พุตภายใต้การเสียรูปเดียวกัน แม้ว่าเกจวัดความเครียดเซมิคอนดักเตอร์จะมีความไวสูงกว่า แต่สัมประสิทธิ์อุณหภูมิความต้านทานของเกจวัดความเครียดเซมิคอนดักเตอร์สูงกว่าเกจวัดความเครียดโลหะ 10~100 เท่า และปัญหาความเสถียรของอุณหภูมิมีความโดดเด่นมากขึ้น เมื่อมีการกระจายอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอภายในเซ็นเซอร์ การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของแต่ละแขนของสะพานจะไม่ตรงกัน ซึ่งจะทำให้ระดับการเปลี่ยนแปลงเป็นศูนย์รุนแรงขึ้น

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิยังมีผลต่อความแม่นยำในการวัดผ่านเส้นทางทางอ้อม กาวภายในเซ็นเซอร์จะเสื่อมสภาพภายใต้การกระทำของวงจรอุณหภูมิ ทำให้ความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างเกจวัดความเครียดและตัวถังยืดหยุ่นลดลง ทำให้เกิดความล่าช้าในการวัดเพิ่มเติม สายเคเบิลจะแข็งและเปราะในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ และอาจมีประสิทธิภาพของฉนวนลดลงที่อุณหภูมิสูง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้จะเพิ่มการรบกวนของสัญญาณรบกวนในการส่งสัญญาณ ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าของระบบจ่ายไฟเนื่องจากอุณหภูมิ แม้ว่าจะอยู่ภายใน ±1% ก็ตาม จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง 0.005%~0.01% ในเอาต์พุตเป็นศูนย์ การซ้อนทับของปัจจัยเหล่านี้ทำให้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเป็นปัญหาที่ซับซ้อนของการเชื่อมต่อหลายมิติ

 

วิธีแก้ไขปัญหาอย่างเป็นระบบ: จากการปรับปรุงฮาร์ดแวร์ไปจนถึงการชดเชยอัจฉริยะ
ในการแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ จำเป็นต้องสร้างแนวป้องกันทางเทคนิคหลายระดับ โดยการรวมการออกแบบฮาร์ดแวร์ให้เหมาะสม การชดเชยวงจร และการแก้ไขอัลกอริทึมอัจฉริยะเพื่อสร้างระบบควบคุมข้อผิดพลาดแบบเต็มรูปแบบ เทคโนโลยีการชั่งน้ำหนักสมัยใหม่ได้พัฒนาโซลูชันที่ครบวงจรและเชื่อถือได้หลากหลาย ซึ่งสามารถเลือกได้อย่างยืดหยุ่นตามข้อกำหนดด้านความแม่นยำและสภาพแวดล้อมของสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน
การปรับตัวของอุณหภูมิในระดับฮาร์ดแวร์เป็นพื้นฐานสำหรับการควบคุมข้อผิดพลาด การเลือกวัสดุที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำเป็นกลยุทธ์หลัก ตัวถังยืดหยุ่นสามารถใช้โลหะผสมที่มีการขยายตัวต่ำ เช่น Invar (มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำกว่า 1.5×10⁻⁶/°C) แม้ว่าต้นทุนจะค่อนข้างสูง แต่ก็สามารถลดข้อผิดพลาดของอุณหภูมิโครงสร้างได้อย่างมาก สำหรับเกจวัดความเครียด สามารถเลือกผลิตภัณฑ์ชดเชยอุณหภูมิได้ด้วยตนเอง โดยการปรับองค์ประกอบของโลหะผสมให้ตรงกับสัมประสิทธิ์อุณหภูมิความต้านทานด้วยสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของตัวถังยืดหยุ่น ผลกระทบจากอุณหภูมิส่วนใหญ่สามารถชดเชยได้ ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง จำเป็นต้องใช้รุ่นเซ็นเซอร์พิเศษ: สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง (>60°C) ควรเลือกเซ็นเซอร์ที่มีกาวและสายไฟทนความร้อนสูง โดยมีอุณหภูมิในการทำงานสูงถึง 150°C หรือแม้แต่ 300°C สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ (<-10°C) จำเป็นต้องใช้สายเคเบิลทนความเย็นและส่วนประกอบอิเล็กโทรไลต์อุณหภูมิต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการเปราะของวัสดุและการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพ ในแง่ของการออกแบบโครงสร้างทางกล การใช้รูปแบบสมมาตรและมาตรการแยกความร้อนสามารถลดความเครียดที่ไม่สมดุลที่เกิดจากอุณหภูมิเกรเดียน ตัวอย่างเช่น การเพิ่มแผ่นฉนวนความร้อนระหว่างเซ็นเซอร์และฐานยึดสามารถลดประสิทธิภาพการนำความร้อนของอุณหภูมิแวดล้อมได้
เทคโนโลยีการชดเชยวงจรให้การรับประกันชั้นที่สองสำหรับการควบคุมข้อผิดพลาด สิ่งที่ใช้กันทั่วไปคือวิธีการชดเชยฮาร์ดแวร์ ซึ่งจะชดเชยผลกระทบจากอุณหภูมิของเกจวัดความเครียดโดยการเชื่อมต่อตัวต้านทานชดเชยอุณหภูมิแบบอนุกรมหรือแบบขนานในสะพานวัด การชดเชยอุณหภูมิเป็นศูนย์มักใช้ตัวต้านทานชดเชยที่แตกต่างจากวัสดุเกจวัดความเครียด โดยใช้ลักษณะสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่ตรงกันข้ามเพื่อทำให้การเปลี่ยนแปลงเป็นศูนย์เป็นกลาง การชดเชยอุณหภูมิความไวจะปรับแรงดันไฟฟ้ากระตุ้นสะพานโดยการเชื่อมต่อเทอร์มิสเตอร์แบบอนุกรมในวงจรจ่ายไฟ ลดความไวต่ออุณหภูมิของสัญญาณเอาต์พุต สำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง สามารถใช้ชิปชดเชยอุณหภูมิเฉพาะเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์และปรับพารามิเตอร์การชดเชยแบบไดนามิก เซ็นเซอร์ระดับไฮเอนด์จากผู้ผลิตเช่น Futek มีเครือข่ายตัวต้านทานการชดเชยหลายกลุ่มในตัว ซึ่งสามารถควบคุมข้อผิดพลาดของอุณหภูมิภายใน 0.005% FS/10°C ในช่วง -40°C ถึง 85°C
การชดเชยอัลกอริทึมซอฟต์แวร์เป็นมิติที่สามของการควบคุมข้อผิดพลาด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความผันผวนของอุณหภูมิอย่างรุนแรง แนวคิดพื้นฐานคือการสร้างแบบจำลองข้อผิดพลาดของอุณหภูมิ รวบรวมอุณหภูมิแวดล้อมแบบเรียลไทม์ผ่านเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ จากนั้นแก้ไขค่าที่วัดได้ตามเส้นโค้งการชดเชยที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ในระบบไมโครคอนโทรลเลอร์ เช่น STM32 สามารถสร้างตารางข้อมูลการชดเชยอุณหภูมิผ่านการทดลอง และสามารถใช้อัลกอริทึมการประมาณค่าเชิงเส้นเพื่อให้ได้การแก้ไขแบบเรียลไทม์ ในบางกรณี วิศวกรได้สร้างจุดชดเชยอุณหภูมิที่ 10°C, 20°C, 30°C, 40°C และ 50°C สร้างเมทริกซ์สัมประสิทธิ์การแก้ไขน้ำหนัก และลดข้อผิดพลาดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิลงมากกว่า 60% ภายใต้เงื่อนไขที่อนุญาตให้อุณหภูมิผันผวน
มาตรการควบคุมสิ่งแวดล้อมอย่างเป็นระบบก็เป็นสิ่งจำเป็นเช่นกัน ด้วยวิธีการปรับอากาศ ฉนวนกันความร้อน และการกระจายความร้อน ความผันผวนของอุณหภูมิสภาพแวดล้อมในการทำงานของเซ็นเซอร์สามารถควบคุมได้ภายใน ±5°C ซึ่งสามารถลดแรงกดดันต่อระบบการชดเชยได้อย่างมาก ในโอกาสที่มีการสั่นสะเทือนขนาดใหญ่ จำเป็นต้องเพิ่มอุปกรณ์ดูดซับแรงกระแทกเพื่อลดอุณหภูมิเพิ่มเติมและความเครียดที่เกิดจากการกระแทกทางกล การสอบเทียบเป็นประจำสามารถรับประกันความเสถียรในระยะยาวของผลการชดเชย ขอแนะนำให้ดำเนินการเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเปลี่ยนแปลงไปมากในแต่ละฤดูกาล หรือใช้ระบบชั่งน้ำหนักอัจฉริยะพร้อมฟังก์ชันการสอบเทียบอัตโนมัติ ซึ่งสามารถรักษาความแม่นยำในการวัดได้ในสถานการณ์ที่ไม่ต้องดูแล

 

กรณีการใช้งานตามสถานการณ์: จากห้องปฏิบัติการไปยังไซต์งานอุตสาหกรรม
วิธีแก้ไขปัญหาการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิต้องได้รับการบูรณาการอย่างลึกซึ้งกับสถานการณ์การใช้งานเฉพาะ ข้อกำหนดในการวัดและลักษณะเฉพาะของสิ่งแวดล้อมของอุตสาหกรรมต่างๆ แตกต่างกันอย่างมาก ซึ่งเป็นตัวกำหนดว่าการเลือกโซลูชันทางเทคนิคจะต้องปรับให้เข้ากับสภาพท้องถิ่น จากห้องปฏิบัติการที่แม่นยำไปจนถึงสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง กรณีการใช้งานที่ประสบความสำเร็จทำให้เราได้รับประสบการณ์จริงที่มีค่า
ในด้านการจัดเก็บโซ่เย็นของอาหารและยา ปัญหาการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมีความโดดเด่นเป็นพิเศษ คลังสินค้าห้องเย็นขนาดใหญ่พบว่าเมื่อใช้โหลดเซลล์ทั่วไป มีค่าเบี่ยงเบน 2%~3% ในการชั่งน้ำหนักสินค้าชุดเดียวกันทุกวันระหว่างช่วงเช้าตรู่ (อุณหภูมิคลังสินค้าประมาณ -18°C) และช่วงบ่าย (อุณหภูมิคลังสินค้าประมาณ -15°C) ซึ่งส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อความแม่นยำของการชำระบัญชีทางการค้า ทีมงานด้านเทคนิคแก้ไขปัญหาผ่านสามขั้นตอน: ขั้นแรก แทนที่ด้วยเซ็นเซอร์ทนอุณหภูมิต่ำ ซึ่งสายเคเบิลใช้วัสดุโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีนทนความเย็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีความยืดหยุ่นแม้ที่ -30°C ประการที่สอง ติดตั้งโพรบวัดอุณหภูมิ PT100 ใกล้กับเซ็นเซอร์ เชื่อมต่อสัญญาณอุณหภูมิกับตัวบ่งชี้น้ำหนัก และสอบเทียบที่จุดอุณหภูมิต่างๆ เพื่อสร้างแบบจำลองการชดเชยแบบแบ่งส่วน หลังจากการเปลี่ยนแปลง แม้ว่าอุณหภูมิคลังสินค้าจะผันผวนระหว่าง -20°C ถึง -10°C ข้อผิดพลาดในการวัดสามารถควบคุมได้ภายใน 0.1% ซึ่งแก้ปัญหาข้อพิพาทในการวัดโซ่เย็นได้อย่างสมบูรณ์ กรณีนี้แสดงให้เห็นว่าการรวมกันของการปรับตัวของวัสดุและการชดเชยซอฟต์แวร์เป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ
สถานการณ์การชั่งน้ำหนักที่มีอุณหภูมิสูงในอุตสาหกรรมโลหะวิทยาต้องเผชิญกับความท้าทายที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ในสายการผลิตการหล่ออย่างต่อเนื่องของโรงงานเหล็ก จำเป็นต้องชั่งน้ำหนักกระบวยเหล็กแบบออนไลน์ อุณหภูมิสภาพแวดล้อมในการทำงานของเซ็นเซอร์สูงถึง 80°C~120°C และเซ็นเซอร์ทั่วไปแสดงการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนหลังจากใช้งานไปหนึ่งสัปดาห์ วิธีแก้ปัญหาใช้วิธีการป้องกันสามชั้น: ในระดับกลไก จะมีการเพิ่มแจ็คเก็ตระบายความร้อนด้วยน้ำและแผ่นกั้นฉนวนความร้อนให้กับเซ็นเซอร์เพื่อควบคุมอุณหภูมิของเซ็นเซอร์เองให้อยู่ต่ำกว่า 60°C ในระดับฮาร์ดแวร์ มีการเลือกเกจวัดความเครียดอุณหภูมิสูง (อุณหภูมิในการทำงาน 150°C) และกาวแข็งตัวที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ในระดับซอฟต์แวร์ มีการพัฒนาอัลกอริทึมการชดเชยแบบไดนามิกโดยใช้การกรอง Kalman ร่วมกับแบบจำลองการทำนายอุณหภูมิเตาเพื่อแก้ไขผลกระทบจากอุณหภูมิล่วงหน้า ระบบที่เปลี่ยนแปลงรักษาความแม่นยำในการวัด 0.2% ในการผลิตอย่างต่อเนื่อง และอายุการใช้งานของเซ็นเซอร์ขยายจาก 1 สัปดาห์เป็นมากกว่า 6 เดือน ลดต้นทุนการบำรุงรักษาลงอย่างมาก สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการป้องกันอย่างครอบคลุมในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงมาก
ระบบการชั่งน้ำหนักแบบไดนามิกบนทางหลวงความเร็วสูงต้องเผชิญกับการทดสอบความผันผวนของอุณหภูมิ 剧烈 ในบางจังหวัด ในช่วงเที่ยงวันในฤดูร้อน แสงแดดโดยตรงทำให้อุณหภูมิของโหลดเซลล์สูงขึ้นอย่างรวดเร็ว แตกต่างจากอุณหภูมิแวดล้อมถึง 30°C ส่งผลให้ข้อมูลการชั่งน้ำหนักเบี่ยงเบนมากกว่า 50 กก. ในเวลาต่างๆ ของรถคันเดียวกัน วิธีแก้ปัญหาเพิ่มช่องอ้างอิงแบบซิงโครนัสให้กับตัวบ่งชี้น้ำหนัก ซึ่งแก้ไขความลาดชันของสัญญาณการชั่งน้ำหนักแบบเรียลไทม์โดยการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของตัวต้านทานคงที่ ในเวลาเดียวกัน โครงสร้างการติดตั้งเซ็นเซอร์ได้รับการปรับให้เหมาะสม โดยใช้วัสดุฉนวนความร้อนเพื่อปิดกั้นแสงแดดโดยตรง และเพิ่มการออกแบบการระบายอากาศและการกระจายความร้อน หลังจากการปรับปรุง การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของระบบลดลงมากกว่า 70% และผ่านการรับรองความแม่นยำแบบไดนามิกของสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ ลดข้อพิพาทค่าผ่านทางได้อย่างมีประสิทธิภาพ กรณีนี้พิสูจน์ให้เห็นว่าเทคโนโลยีการชดเชยฮาร์ดแวร์แบบเรียลไทม์มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในสถานการณ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว
ด้านการชั่งน้ำหนักที่แม่นยำในห้องปฏิบัติการมีข้อกำหนดที่เข้มงวดกว่าสำหรับความเสถียรของอุณหภูมิ เครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์ในห้องปฏิบัติการวิจัยเภสัชกรรมไม่สามารถผ่านการตรวจสอบมาตรวิทยาได้เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเปลี่ยนแปลงมากกว่า 2°C บุคลากรด้านเทคนิคใช้วิธีแก้ปัญหาโดยรวมการควบคุมสิ่งแวดล้อมและการปรับอัลกอริทึม: มีการติดตั้งอุปกรณ์อุณหภูมิคงที่ขนาดเล็กภายในเครื่องชั่งเพื่อควบคุมความผันผวนของอุณหภูมิในการทำงานของเซ็นเซอร์ภายใน ±0.5°C มีการพัฒนาแบบจำลองน้ำหนักอุณหภูมิโดยใช้เครือข่ายประสาทเทียมเพื่อทำนายและชดเชยข้อผิดพลาดผ่านการสุ่มตัวอย่างหลายจุด ในที่สุด ระบบก็มีความแม่นยำในการวัด 0.001% ซึ่งตรงตามข้อกำหนดความแม่นยำสูงของการวิจัยและพัฒนาเภสัชกรรม สิ่งนี้สะท้อนให้เห็นถึงเส้นทางทางเทคนิคของการควบคุมอย่างละเอียดในอุปกรณ์มาตรวิทยาขั้นสูง