مبدأ قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية ونظام قياس مستوى السائل عالي الدقة

يتمتع قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية  مستشعر  بسلسلة من المزايا، ولكن هناك العديد من العوامل التي تؤثر على دقة القياس، لذلك من الصعب تحقيق دقة أعلى. استنادًا إلى مبدأ قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية ودرجة الحرارة والرطوبة، يكون برنامج تعويض  محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية  فرديًا، ولا يمكنه تحقيق قياس مسافة عالي الدقة في بيئة متغيرة وقاسية، وبرنامج تعويض يربك قياسي لمحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية المزدوجة .التكلفة مرتفعة ولا يمكن تطبيقها على نطاق واسع على العيوب في مختلف المجالات. نظام تعويض يربك معيار واحد  من تم تصميم الكهرضغطي بالموجات فوق الصوتية  sالمستشعر  الذي يستخدم جهاز توجيه للتحكم في اتجاه محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية. استجابةً لشرط عدم إمكانية التقاط مقدمة الصدى الأولى بدقة، يُقترح استخدام مضخم كسب قابل للبرمجة لالتقاط مقدمة الصدى الراجعة على مسافات مختلفة. تظهر النتائج التجريبية أنه في نطاق 7 أمتار، عندما يتم استخدام الهواء كوسيلة للانتشار ويكون السطح العاكس عبارة عن ماء ذو ​​خصائص انبعاث جيدة، يتم التحكم في خطأ القياس في حدود 0.4%. يمكن لهذه الطريقة المحسنة تحقيق تكلفة منخفضة في ظل البيئة القاسية والمتغيرة.

 

مقدمة

في الوقت الحاضر، هناك العديد من الطرق لقياس مستوى السائل، مثل قياس مستوى الطفو، وقياس المستوى بمساعدة ضغط الإدخال، وقياس مستوى رادار الميكروويف، وقياس مستوى الأشعة تحت الحمراء، وقياس مستوى الليزر، وقياس مستوى الموجات فوق الصوتية. من بينها، مستشعر الضغط  يتم تمثيل  بقياس الاتصال ، والذي سوف يتلوث عند استخدامه في مشاهد مثل الرواسب الثقيلة، ومن ثم يسبب أخطاء كبيرة. بالنسبة لأنظمة تحديد المدى غير التلامسي، يعد قياس مستوى السائل بواسطة رادار الموجات الدقيقة أمرًا صعبًا ومكلفًا من الناحية الفنية؛ قياس مستوى السائل بالأشعة تحت الحمراء منخفض التكلفة وسهل التنفيذ، ولكن لديه اتجاهية ضعيفة ودقة منخفضة؛ في حين يمكن إجراء قياس مستوى السائل بالموجات فوق الصوتية دون ملامسة سطح السائل ، مما  يتجنب تأثير التلوث السائل والتآكل على معدات القياس، فإنه  لا يخضع للضوء والدخان والتداخل الكهرومغناطيسي، وله مزايا الدقة العالية وهيكل النظام البسيط والتركيب المريح والتكلفة المنخفضة.

تتضمن طرق النطاق بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي طريقة اكتشاف الطور وطريقة اكتشاف سعة الموجة الصوتية وطريقة اكتشاف وقت العبور. على الرغم من أن طريقة الكشف عن الطور تتمتع بدقة عالية، إلا أن نطاق القياس محدود، لذا فهو أقل تطبيقًا؛ تتميز طريقة الكشف عن سعة الموجة الصوتية بدقة منخفضة وتتأثر بسهولة بالموجات المنعكسة؛ بينما تكون طريقة وقت العبور بين الطريقتين الأوليين، بدقة وقياس أعلى، ولها نطاق واسع وتستخدم على نطاق واسع.

وفي التطبيقات العملية، يكون لتصميم نظام تحديد المدى تأثير كبير على دقة تحديد المدى. ولذلك، فإن تحليل مبدأ العمل وعملية القياس بالموجات فوق الصوتية، وتحسين أساليب وأساليب القياس، وتحسين دقة محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية قد اجتذب المزيد والمزيد من الاهتمام. وفقًا للبيئة المحددة لنظام تحديد المدى، تختلف طريقة تحسين الدقة قليلاً. تركز هذه المقالة على الحد من تأثير البيئة الخارجية، ويتم الجمع بين اختيار محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية مع تحقيق النظام المحدد، لتحسين دقة قياس مستوى الموجات فوق الصوتية.

 

مبدأ الموجات الصوتية تغيير فوق

عادةً ما يتم إنشاء الموجات فوق الصوتية المستخدمة لقياس المسافة من خلال التأثير الكهرضغطي للسيراميك الكهرضغطي. يحتوي هذا المستشعر الخزفي الكهرضغطي على رقاقتين كهرضغطية ولوحة رنين. عندما يكون تردد إشارة النبض الخارجية ذات المستويين مساوياً للرقاقة الكهرضغطية المتأصلة عند تردد التذبذب، فإن الرقاقة الكهرضغطية سوف يتردد صداها وتدفع لوحة الرنين إلى الاهتزاز، وبالتالي توليد موجات فوق صوتية؛ عندما تستقبل لوحة الرنين الموجات فوق الصوتية، فإنها ستضغط على الرقاقة الكهرضغطية لتهتز وتحول الطاقة الميكانيكية إلى إشارات كهربائية.

مبدأ  محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية. باستخدام سرعة الانتشار المعروفة v للموجات فوق الصوتية في الهواء، يصدر محول الموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية عموديًا إلى سطح السائل، وتنعكس الموجات الصوتية عند السطح البيني بين سطح الماء والغاز وتنتقل مرة أخرى إلى محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية، ويتم تسجيل وقت الانتشار t، أي من الوقت من إرسال إشارة الموجات فوق الصوتية إلى استقبال إشارة الصدى بالموجات فوق الصوتية، المسافة بين محول الطاقة ومستوى السائل L=0.5vt، ومن ثم فإن مستوى السائل الفعلي هو: يظهر

S=HL=H-0.5vt(1)

 

العوامل المؤثرة في القياس والحلول

وفقا للصيغة (1)، فإن العوامل الرئيسية التي تؤثر على دقة النطاق بالموجات فوق الصوتية هي سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية ووقت الانتشار بالموجات فوق الصوتية. بالإضافة إلى ذلك، هناك ترددات فوق صوتية تؤثر على نطاق القياس ودقته. هنا، لم تتم دراسة ومناقشة زمن الانتشار، بل تمت دراسة وتحليل الأخطاء في الجانبين الآخرين فقط، وتم اقتراح حلول معقولة.

 

سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية

تقترح معظم الأدبيات استخدام طريقة تصحيح درجة الحرارة لتعويض سرعة الصوت، وتكون صيغة سرعة الانتشار هي v=331.5+0.607T، حيث T هي درجة الحرارة (°C). ثم تم اقتراح طريقة التعويض المزدوج لدرجة الحرارة والرطوبة، وصيغة سرعة الانتشار هي:

من بينها، pw هو الضغط الجزئي لبخار الماء، p هو الضغط الجوي، T0 هي درجة الحرارة المطلقة، t هي درجة حرارة الهواء المقاسة، و v هي سرعة الموجات فوق الصوتية بعد التعويض. ويرى المؤلف أن الهواء الفعلي ليس جافًا تمامًا، ويتم تصحيح متوسط ​​الكتلة المولية ونسبة الحرارة النوعية للهواء. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة تأخذ في الاعتبار تأثير الرطوبة على سرعة الصوت، إلا أن سرعة الانتشار ترتبط أيضًا بوسط الانتشار وسرعة الرياح والضغط في ظل الظروف البيئية الفعلية. وهناك عوامل أخرى مرتبطة ببعضها البعض، وبالتالي فإن نتائج القياس لا تزال تحتوي على أخطاء كبيرة.

 

واستناداً إلى تأثير البيئة على سرعة الانتشار، تقترح بعض الأدبيات طريقة قياس مرجعية. المبدأ هو استخدام طريقة ذات قناتين. يتم استخدام قناة واحدة لقياس سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية. يتم وضع حاجز قياسي بمسافة معروفة أمام محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية. قياس ؛  الفارق الزمني لوصول الموجة فوق الصوتية إلى الحاجز لحساب سرعة انتشار الموجة فوق الصوتية في البيئة ولا تزال القناة الأخرى تقيس المسافة وفقًا لطريقة القياس العادية. لذلك، تم اقتراح طريقة التثبيت القياسية الموضحة. يمكن لهذه الطريقة تحقيق قياس أعلى دقة والتكيف مع البيئات المعقدة المختلفة. ومع ذلك، هناك متطلبات صارمة لتركيب الحواجز القياسية. ولذلك، فإن الحساب المقابل مزدوج . لأن خريطة موضع التثبيت لمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية معقدة، وقد يتسبب عدم اليقين في البيئة الفعلية في وصول الموجات فوق الصوتية إلى الحاجز لإنتاج موجات فوق صوتية عديمة الفائدة من خلال انعكاسات متعددة، مما يؤثر على دقة القياس. لذلك، يُقترح استخدام محول طاقة مزدوج بالموجات فوق الصوتية، .أحدهما يستخدم لقياس سرعة الانتشار، والآخر يستخدم لقياس وقت الانتشار، دون التأثير على بعضهما البعض. على الرغم من أن هذه الطريقة تقلل من التعقيد الحسابي، وتزيل الموجات فوق الصوتية عديمة الفائدة، وتحسن دقة القياس، إلا أن تكلفة محولي الطاقة كبيرة نسبيًا، وهو ما لا يفضي إلى تعميمها.

 

استناداً إلى البحث والتحليل المذكورين أعلاه، تقترح هذه الورقة طريقة لاستخدام جهاز التوجيه للتحكم في اتجاه محول طاقة بالموجات فوق الصوتية واحد، والذي لا يأخذ في الاعتبار العوامل التي تؤثر على سرعة الانتشار فحسب، بل يقلل أيضًا من التكلفة، وهو أمر مفيد للتعميم في مختلف المجالات. يتم وضع الحاجز القياسي عموديًا ووضعه على نفس الخط الأفقي مثل محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية. المسافة بين الاثنين ثابتة وأكبر من المنطقة العمياء لمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية؛ يتحكم جهاز التوجيه في محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية في الاتجاه، يرسل الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة تعليمات لجعل جهاز التوجيه يتحكم في محول الطاقة لمواجهة سطح السائل عموديًا، ويرسل موجات فوق صوتية لقياس وقت الانتشار، ثم يتحكم في محول الطاقة لتدوير 90 درجة، ويواجه الحاجز القياسي عموديًا، ويرسل موجات فوق صوتية لقياس سرعة الانتشار.

 

 

تردد بالموجات فوق الصوتية

معادلة الموجة لانتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء، حيث A هي السعة التي يستقبلها محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية، A0 هي السعة الأولية المنبعثة من محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية، x هي مسافة انتشار الموجات فوق الصوتية، ω هو التردد الزاوي للموجة فوق الصوتية، و t هو وقت انتشار الموجات فوق الصوتية، α هو الطول الموجي للموجات فوق الصوتية، α هو معامل التوهين بالموجات فوق الصوتية، الصيغة هو α=bf2، حيث b هو ثابت العزل الكهربائي وf هو تردد الموجات فوق الصوتية.

وفقًا للمعادلة (3)، يمكن ملاحظة أنه عندما تصل مسافة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء إلى 0.5α، يتم تخفيف سعة الموجات فوق الصوتية إلى 1/e من الأصل. كلما زاد تردد الموجات فوق الصوتية، زاد التوهين وصغر نطاق المسافة القابلة للاكتشاف، ولكن كلما كانت زاوية انتشار الموجات فوق الصوتية المنبعثة أصغر، كان الشعاع أرق وكان الاتجاه أفضل.

يقترح استخدام تشكيل المقارنة المزدوجة لتحديد الحافة الأمامية للصدى، ولكن بسبب عدم اليقين في بيئة القياس الفعلية، قد يتم تعيين عتبتي المقارنة صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا، مما يؤدي إلى انخفاض دقة القياس. وبناءً على ذلك، يقترح هذا المقال استخدام مضخم الكسب القابل للبرمجة PGA112 لتحسين دقة التقاط الحافة الأمامية للصدى الأول من خلال تصحيحات الكسب المتعددة.

تصميم البرمجيات

3.1 أفكار تصميم البرنامج ونقاط الاهتمام ذات الصلة

من أجل تحقيق قياس عالي الدقة لمستوى السائل، يجب إكمال العمل بواسطة البرنامج:

(1) توليد الموجات فوق الصوتية 40 كيلو هرتز؛

(2) قياس زمن انتشار الموجات فوق الصوتية؛

(3) التحكم في توجيه جهاز التوجيه للتحكم في اتجاه طرفي الإرسال والاستقبال لمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية؛

(4) قياس سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية؛

(5) حدد تردد الموجات فوق الصوتية المناسب ككائن اختبار وفقًا للمسافة؛

(6) احسب ارتفاع مستوى السائل وقم بتنفيذ الإجراءات المقابلة مثل عرض البيانات. يتم إنشاء قطار النبض للجهاز بتردد 40 كيلو هرتز عن طريق البرنامج؛ يتم الانتهاء من قياس وقت انتشار وسرعة الموجات فوق الصوتية، والتحكم في توجيه جهاز التوجيه من خلال توقيت/عداد الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة.

أثناء كتابة برنامج النظام، ضع في اعتبارك اتصال الأجهزة، ولكن ضع في اعتبارك أيضًا تحديد مساحة التخزين، واستخدام السجلات ودبابيس المقاطعة الخارجية. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب وجود الاهتزاز اللاحق وحيود الموجة المنكسرة، يستغرق استقبال الصدى فترة من الوقت بعد انتهاء إرسال الموجات فوق الصوتية للمعالجة المقابلة.

تدفق البرنامج الرئيسي

يعتمد النظام البرمجة المعيارية، بما في ذلك وحدة البرنامج الرئيسية، ووحدة قياس وقت الانتشار بالموجات فوق الصوتية، ووحدة توجيه ترس التوجيه، ووحدة قياس سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية، ووحدة حساب مستوى السائل، وعرض البيانات وغيرها من الأمور المقابلة u وحدة استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية . بعد تهيئة النظام، استخدم عبارة while(1) لتحقيق الحلقة اللانهائية التالية: قم أولاً باستدعاء وحدة قياس وقت الانتشار بالموجات فوق الصوتية، وفي نفس الوقت قم بإرسال الموجات فوق الصوتية، وقم بتشغيل العداد لبدء التوقيت، وأوقف المقاطعة الخارجية. قم بتأخير 1 مللي ثانية، ثم قم بتشغيل المقاطعة الخارجية وانتظر الصدى. عند اكتشاف صدى، أوقف المؤقت في برنامج المقاطعة الخارجية، وقم بتخزين قيمة المؤقت، وتعيين علامة استقبال الصدى على 1. ثم اتصل بوحدة التوجيه الخاصة بجهاز التوجيه، وقم بتشغيل العداد لبدء التوقيت، وموضع التحكم 1، عندما يكون عرض النبض أكبر من 2.5 مللي ثانية، موضع التحكم 0؛ عندما يصل العد إلى 3 مللي ثانية، يتم مسح العداد لجعل جهاز التوجيه 90 درجة. ثم اتصل بوحدة قياس سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية، واحسب سرعة الصوت من خلال المسافة الثابتة للحاجز القياسي. في وحدة التوجيه الخاصة بجهاز التوجيه، اضبط عرض النبض على 1.5 مللي ثانية لجعل جهاز التوجيه يتحول إلى 0 درجة. أخيرًا، يقوم المتحكم الدقيق باستدعاء برنامج حساب مستوى السائل وتنفيذ الإجراءات المقابلة مثل عرض البيانات.

النتائج التجريبية والتحليل

يعمل هذا النظام على ترسيخ البرنامج الموجود على الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة STC12C5A60S2. من أجل التحقق من تأثير القياس لنظام قياس مستوى السائل بالموجات فوق الصوتية، تم اختيار خزان مياه بمعدل تدفق مستقر نسبيًا في الهواء الطلق للقياس، وتم تغيير مستوى الماء عن طريق التحكم في الصمام. تم تركيب النظام على بعد 7 أمتار من قاع الخزان. تم اعتماد طريقة أخذ متوسط ​​3 قياسات لتقليل الخطأ العشوائي للنظام.

القياس نتائج تتم مقارنة مع محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية بيانات قياس مقياس المياه، كما هو موضح في الجدول 1. وفقًا للقياس التجريبي وتحليل الأخطاء، يحتوي النظام على منطقة قياس عمياء تبلغ 30 مم، ويتم التحكم في خطأ القياس بشكل أساسي بنسبة 0.4٪، مما يحقق نطاقًا عالي الدقة، والذي يمكن أن يلبي احتياجات القياس في الإنتاج الصناعي والزراعي.

ملاحظات ختامية

في نظام قياس مستوى السائل بالموجات فوق الصوتية، استنادا إلى التحليل الكامل لأسباب ، مستشعر محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية لقياس سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية ، وفقًا لتأثير العوامل البيئية والنظر في قضايا التكلفة ، يُقترح استخدام جهاز توجيه للتحكم في اتجاه محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية لتحقيق طريقة تصحيح التعويض المربك التي توفر التكاليف وتبسط التصميم وتأخذ في الاعتبار عوامل التأثير البيئي بشكل كامل هي طريقة ووسائل تقنية لم يتم ذكرها في الأدبيات ذات الصلة بقياس مستوى السائل. من أجل الالتقاط الدقيق للحافة الأمامية الأولى لصدى الموجات فوق الصوتية، تم اعتماد طريقة كسب قابلة للبرمجة لتحسين التقاط الحافة الأمامية الأولى للصدى، وبالتالي تحسين دقة المدى. في التطبيقات الصناعية والزراعية التي تركز على توفير الطاقة وحماية البيئة والبساطة، أصبحت هذه الطريقة المحسنة فكرة جديدة لقياس مستوى الموجات فوق الصوتية بمزاياها الفريدة.