beginsel van ultrasoniese afstandmeting en hoë-presisie vloeistofvlakmetingstelsel

afstandmetingsensor  Ultrasoniese  het 'n reeks voordele, maar daar is baie faktore wat meetakkuraatheid beïnvloed, so dit is moeilik om hoër akkuraatheid te bereik. Gebaseer op die beginsel van ultrasoniese afstandmeting, temperatuur, en humiditeit kompensasie program  van ultrasoniese transducer  is enkel, wat nie 'n hoë-presisie afstand meting in 'n veranderlike en harde omgewing kan bereik, en 'n standaard keerplaat vergoeding program vir dubbele ultrasoniese transducers .Die koste is hoog en kan nie wyd toegepas word op defekte in verskeie velde. 'N Enkele standaard rooster vergoeding skema  van p ieso-elektriese u ltrasoniese  sensor  is ontwerp wat 'n stuurrat gebruik om die rigting van die ultrasoniese transducer te beheer. In reaksie op die vereiste dat die eerste eggofront nie akkuraat vasgevang kan word nie, word 'n programmeerbare versterker voorgestel om die terugkeerfront van die eggo op verskillende afstande vas te vang. Die eksperimentele resultate toon dat in die omvang van 7 m, wanneer lug as die voortplantingsmedium gebruik word en die reflektiewe oppervlak water met goeie emissie-eienskappe is, die meetfout binne 0,4% beheer word. Hierdie verbeterde metode kan lae koste behaal onder die harde en veranderlike omgewing.

 

inleiding

Tans is daar baie metodes van vloeistofvlakmeting, soos vlottervlakmeting, insetdrukondersteunde vlakmeting, mikrogolfradarvlakmeting, infrarooivlakmeting, laservlakmeting en ultrasoniese vlakmeting. Onder hulle die druksensor  word  voorgestel deur kontakmeting , wat besoedel sal word wanneer dit in tonele soos swaar sediment gebruik word, en dan groot foute veroorsaak. Vir nie-kontak afstandstelsels is die meting van mikrogolfradarvloeistofvlak tegnies moeilik en duur; infrarooi vloeistofvlakmeting is laag in koste en maklik om te implementeer, maar het swak rigting en lae akkuraatheid; terwyl ultrasoniese vloeistofvlakmeting gedoen kan word sonder om die vloeistofoppervlak te raak , wat  die invloed van vloeistofbesoedeling en korrosie op die meettoerusting vermy, is dit  nie onderhewig aan lig, rook, elektromagnetiese interferensie nie, en het die voordele van hoë resolusie, eenvoudige stelselstruktuur, gerieflike installasie en lae koste.

Ultrasoniese reeksmetodes sluit hoofsaaklik fase-opsporingsmetode, akoestiese golfamplitude-opsporingsmetode en transito-tydopsporingsmetode in. Alhoewel die fase-opsporingsmetode hoë akkuraatheid het, is die meetbereik beperk, dus word dit minder toegepas; die akoestiese golf amplitude opsporing metode het 'n lae akkuraatheid en word maklik beïnvloed deur gereflekteerde golwe; terwyl die transito-tydmetode tussen die eerste twee metodes is, met hoër akkuraatheid en meting Dit het 'n wye reeks en word wyd gebruik.

In praktiese toepassings het die ontwerp van die afstandstelsel 'n groot invloed op die reeks akkuraatheid. Daarom het die ontleding van die werkbeginsel en proses van ultrasoniese reeks, die verbetering van die metodes en metodes van reeks, en die verbetering van die akkuraatheid van ultrasoniese reeks- omskakelaar meer en meer aandag getrek. Volgens die spesifieke omgewing van die reeksstelsel is die metode om die akkuraatheid te verbeter effens anders. Hierdie artikel fokus op die vermindering van die invloed van die eksterne omgewing, die keuse van ultrasoniese transducer word gekombineer met die verwesenliking van die spesifieke stelsel, om die akkuraatheid van ultrasoniese vlakmeting te verbeter.

 

Beginsel van u ltrasoniese r anging

Ultrasoniese golwe wat vir afstandmeting gebruik word, word gewoonlik gegenereer deur die piëso-elektriese effek van piëso-elektriese keramiek. Hierdie piëzo-elektriese keramieksensor het twee piëso-elektriese wafers en 'n resonansieplaat. Wanneer die frekwensie van die tweevlak-eksterne pulssein gelyk is aan die inherente piëso-elektriese wafer By die ossillasiefrekwensie sal die piëso-elektriese wafer resoneer en die resonansieplaat dryf om te vibreer, en daardeur ultrasoniese golwe genereer; wanneer die resonansieplaat ultrasoniese golwe ontvang, sal dit die piëso-elektriese wafel druk om te vibreer en meganiese energie in elektriese seine om te skakel.

Die beginsel van ultrasoniese wisseling  transducer  word getoon. Deur gebruik te maak van die bekende voortplantingssnelheid v van ultrasoniese golwe in die lug, stuur die ultrasoniese transducer ultrasoniese golwe vertikaal na die vloeistofoppervlak uit, en die klankgolwe word by die koppelvlak tussen die wateroppervlak en die gas gereflekteer en teruggestuur na die ultrasoniese transducer, en die voortplantingstyd t word aangeteken, dit wil sê vanaf Die tyd vanaf die oordrag van die ultrasoniese sein na die uitsaai van die ultrasoniese sein, tussen die transducer en die vloeistofvlak L=0.5vt, en dan is die werklike vloeistofvlak:

S=HL=H-0.5vt(1)

 

Beïnvloeding van meetfaktore en oplossings

Volgens formule (1) is die belangrikste faktore wat die akkuraatheid van ultrasoniese reeks beïnvloed, die ultrasoniese voortplantingspoed en ultrasoniese voortplantingstyd. Daarbenewens is daar ultrasoniese frekwensies wat die meetbereik en akkuraatheid beïnvloed. Hier word die voortplantingstyd nie bestudeer en bespreek nie, slegs die foute in die ander twee aspekte word bestudeer en ontleed, en redelike oplossings word voorgestel.

 

Ultrasoniese voortplantingsnelheid

Die meeste van die literatuur stel voor om die temperatuurkorreksiemetode te gebruik om die spoed van klank te kompenseer, en die voortplantingspoedformule is v=331.5+0.607T, waar T die temperatuur (℃) is. Toe is 'n temperatuur en humiditeit dubbele kompensasiemetode voorgestel, en die voortplantingspoedformule is:

Onder hulle is pw die parsiële druk van waterdamp, p is die atmosferiese druk, T0 is die absolute temperatuur, t is die gemete lugtemperatuur, en v is die ultrasoniese golfsnelheid na kompensasie. Die skrywer glo dat die werklike lug nie heeltemal droog is nie, en die gemiddelde molêre massa en spesifieke hitteverhouding van die lug word reggestel. Alhoewel hierdie metode die invloed van humiditeit op die spoed van klank in ag neem, hou die voortplantingspoed ook verband met die voortplantingsmedium, windspoed en druk onder werklike omgewingstoestande. Ander faktore hou verband, so die metingsresultate het steeds groot foute.

 

Gebaseer op die invloed van die omgewing op die voortplantingspoed, stel sommige literatuur 'n maatstafmetingsmetode voor. Die beginsel is om 'n twee-kanaal metode te gebruik. Een kanaal word gebruik om die ultrasoniese voortplantingspoed te meet. 'n Standaard stootplaat met 'n bekende afstand word voor die ultrasoniese transducer geplaas. Meting van  die tydsverskil van die ultrasoniese golf wat die keerplaat bereik om die voortplantingspoed van die ultrasoniese golf in die omgewing te bereken; die ander kanaal meet steeds die afstand volgens die normale meetmetode. Daarom word die standaard-skerminstallasiemetode voorgestel. Hierdie metode kan hoër akkuraatheidsmeting bereik en by verskeie komplekse omgewings aanpas. Daar is egter streng vereistes vir die installering van standaardbeugels. Daarom is die ooreenstemmende berekening dubbel .t die installasie posisie kaart van die ultrasoniese transducer is ingewikkeld, en die onsekerheid van die werklike omgewing kan veroorsaak dat die ultrasoniese golf die skottel bereik om nuttelose ultrasoniese golwe te produseer deur middel van veelvuldige refleksies, wat die meting akkuraatheid beïnvloed. Daarom word 'n dubbele ultrasoniese transducer voorgestel. .Een word gebruik om die voortplantingspoed te meet, en die ander word gebruik om die voortplantingstyd te meet, sonder om mekaar te beïnvloed. Alhoewel hierdie metode berekeningskompleksiteit verminder, nuttelose ultrasoniese golwe uitskakel en metingsakkuraatheid verbeter, is die koste van die twee transducers relatief groot, wat nie bevorderlik is vir popularisering nie.

 

Gebaseer op bogenoemde navorsing en ontleding, stel hierdie artikel 'n metode voor om 'n stuurrat te gebruik om die rigting van 'n enkele ultrasoniese transducer te beheer, wat nie net die faktore wat die voortplantingspoed beïnvloed in ag neem nie, maar ook die koste verminder, wat voordelig is vir popularisering in verskeie velde. die standaard keerplaat word vertikaal geplaas en op dieselfde horisontale lyn as die ultrasoniese transducer geplaas. Die afstand tussen die twee is vas en groter as die blinde sone van die ultrasoniese transducer; die stuurrat beheer die ultrasoniese transducer In die rigting stuur die enkel-chip mikrorekenaar instruksies om die stuurrat die transducer te laat beheer om die vloeistofoppervlak vertikaal te wys, en stuur ultrasoniese golwe om die voortplantingstyd te meet, beheer dan die transducer om 90° te draai, kyk na die standaard baffle vertikaal, en stuur ultrasoniese golwe om die voortplanting te meet.

 

 

Ultrasoniese frekwensie

Die golfvergelyking van ultrasoniese voortplanting in die lug, waar A die amplitude is wat deur die ultrasoniese transducer ontvang word, A0 is die aanvanklike amplitude wat deur die ultrasoniese transducer uitgestraal word, x is die voortplantingsafstand van die ultrasoniese golf, ω is die hoekfrekwensie van die ultrasoniese golf, en die golflengte van die ultrasoniese golf is die voortplantingstyd van die golf. ultraklank, α is die verswakkingskoëffisiënt van ultraklank, die formule is α=bf2, waar b die diëlektriese konstante is en f die frekwensie van ultraklank is.

Volgens vergelyking (3) kan gesien word dat wanneer die voortplantingsafstand van ultrasoniese golwe in die lug 0.5α bereik, die amplitude van ultrasoniese golwe tot 1/e van die oorspronklike verswak word. Hoe hoër die ultrasoniese frekwensie, hoe ernstiger is die verswakking en hoe kleiner die waarneembare afstandbereik, maar hoe kleiner die verspreidingshoek van die uitgestraalde ultrasoniese golf, hoe dunner die straal en hoe beter is die rigting.

stel die gebruik van dubbele vergelykervorming voor om die voorrand van die eggo te bepaal, maar as gevolg van die onsekerheid van die werklike metingsomgewing, kan die twee vergelykerdrempels te klein of te groot gestel word, wat lei tot verminderde meetakkuraatheid. Op grond hiervan stel hierdie artikel voor om die programmeerbare versterker PGA112 te gebruik om die akkuraatheid van die vaslegging van die voorrand van die eerste eggo deur middel van veelvuldige versterkingskorreksies te verbeter.

sagteware ontwerp

3.1 Programontwerpidees en verwante aandagpunte

Om hoë-presisie vloeistofvlakmeting te bereik, moet die werk wat deur die sagteware voltooi moet word:

(1) Genereer 40 kHz ultraklank;

(2) Meting van die voortplantingstyd van ultrasoniese golwe;

(3) Beheer die stuur van die stuurrat om die rigting van die uitsaai- en ontvangpunte van die ultrasoniese transducer te beheer;

(4) Meet die voortplantingspoed van ultrasoniese golwe;

(5) Kies die toepaslike ultrasoniese frekwensie as die toetsvoorwerp volgens die afstand;

(6) Bereken die hoogte van die vloeistofvlak en voer ooreenstemmende aksies uit soos datavertoning. Die 40 kHz-pulstrein van die toestel word deur sagteware gegenereer; die meting van die voortplantingstyd en spoed van die ultrasoniese golf, en die stuurbeheer van die stuurrat word voltooi deur die tydsberekening/teller van die enkelskyfie-mikrorekenaar.

Terwyl u die stelselprogram skryf, oorweeg die hardewareverbinding, maar oorweeg ook die opstel van die stoorspasie, die gebruik van registers en eksterne onderbrekingspenne. Daarbenewens, as gevolg van die bestaan ​​van na-vibrasie en gebreekte golf diffraksie, neem dit 'n tydperk van tyd om die eggo te ontvang na die einde van die transmissie van ultrasoniese golwe vir ooreenstemmende verwerking.

Hoofprogramvloei

Die stelsel neem modulêre programmering aan, insluitend hoofprogrammodule, ultrasoniese voortplantingstydmetingsmodule, stuurratstuurmodule, ultrasoniese voortplantingspoedmetingsmodule, vloeistofvlakberekeningsmodule, datavertoning en ander ooreenstemmende u ltrasoniese module afstandsensor . Nadat die stelsel geïnisialiseer is, gebruik die while(1)-stelling om die volgende oneindige lus te bereik: bel eers die ultrasoniese voortplantingstydmetingsmodule, en stuur terselfdertyd die ultrasoniese uit, skakel die teller aan om tydsberekening te begin, en skakel die eksterne onderbreking af. Vertraag 1 ms, skakel dan die eksterne onderbreking aan en wag vir die eggo. Wanneer 'n eggo bespeur word, stop die timer in die eksterne onderbrekingsprogram, stoor die waarde van die timer, en die eggo-ontvangsvlag is ingestel op 1. Bel dan die stuurmodule van die stuurrat, skakel die teller aan om tydsberekening te begin, en beheer posisie 1, wanneer die polswydte groter as 2,5 ms is, beheerposisie 0; wanneer die telling 3 ms bereik, word die teller skoongemaak om die stuurrat 90° te maak. Roep dan die ultrasoniese voortplantingsnelheidsmetingsmodule, en bereken die klanksnelheid deur die vaste afstand van die standaardskerm. In die stuurmodule van die stuurrat, stel die polswydte op 1,5 ms om die stuurrat na 0° te laat draai. Laastens roep die mikrobeheerder die vloeistofvlakberekeningsprogram en voer ooreenstemmende aksies uit soos datavertoning.

Eksperimentele resultate en analise

Hierdie stelsel verstewig die sagteware op die STC12C5A60S2 enkelskyfie mikrorekenaar. Ten einde die metingseffek van die ultrasoniese vloeistofvlakmetingstelsel te verifieer, is 'n watertenk met 'n relatief stabiele vloeitempo buite gekies vir meting, en die watervlak is verander deur die klep te beheer. Die stelsel is 7 m van die onderkant van die tenk geïnstalleer. Die metode om die gemiddelde van 3 metings te neem, word gebruik om die ewekansige fout van die stelsel te verminder.

Die metingsresultate van u ltrasoniese afstandtransduktor word vergelyk met die watermeter-metingsdata, soos getoon in Tabel 1. Volgens eksperimentele meting en foutanalise het die stelsel 'n meetblindsone van 30 mm, en die meetfout word basies beheer teen 0,4%, wat 'n hoë-presisie-reeks bereik, wat aan die metingsbehoeftes in industriële en landbouproduksie kan voldoen.

Slotopmerkings

In die ultrasoniese vloeistofvlakmetingstelsel, gebaseer op die volledige ontleding van die oorsake van die u ltrasoniese transducer sensor , vir die meting van die ultrasoniese voortplantingspoed, volgens die invloed van omgewingsfaktore en die oorweging van kostekwessies, word voorgestel om 'n stuurrat te gebruik om die rigting van die ultrasoniese transducer te beheer om te bereik. Vir die presiese vaslegging van die eerste ultrasoniese eggo-voorrand, word 'n aanwins-programmeerbare metode gebruik om die vaslegging van die eerste eggo-voorrand te verbeter, en sodoende die akkuraatheid van die afstand te verbeter. In industriële en landboutoepassings met die tema van energiebesparing, omgewingsbeskerming en eenvoud, het hierdie verbeterde metode 'n nuwe idee geword vir ultrasoniese vlakmeting met sy unieke voordele.