прынцып ультрагукавога вымярэння адлегласці і высокадакладнай сістэмы вымярэння ўзроўню вадкасці

Ультрагукавы  датчык вымярэння адлегласці  мае шэраг пераваг, але ёсць шмат фактараў, якія ўплываюць на дакладнасць вымярэння, таму цяжка дасягнуць больш высокай дакладнасці. Заснаваная на прынцыпе ультрагукавога вымярэння адлегласці, праграма кампенсацыі тэмпературы і вільготнасці  ультрагукавога пераўтваральніка  з'яўляецца адзінкавай, якая не можа дасягнуць высокадакладнага вымярэння адлегласці ў зменлівых і цяжкіх умовах, і стандартнай праграмай кампенсацыі перагародкі для падвойных ультрагукавых пераўтваральнікаў .Кошт высокі і не можа быць шырока прыменены для дэфектаў у розных галінах. Адзіная стандартная схема кампенсацыі  перашкод p iezoelectric u ультрагукавы  sдатчык  распрацаваны, які выкарыстоўвае рулявы механізм для кіравання кірункам ультрагукавога пераўтваральніка. У адказ на патрабаванне, што першы фронт рэха не можа быць дакладна зафіксаваны, прапануецца праграмуемы ўзмацняльнік узмацнення для захопу зваротнага фронту рэха на розных адлегласцях. Вынікі эксперыментаў паказваюць, што ў дыяпазоне 7 м, калі ў якасці асяроддзя распаўсюджвання выкарыстоўваецца паветра, а адбівальнай паверхняй з'яўляецца вада з добрымі эмісійнымі ўласцівасцямі, хібнасць вымярэнняў кантралюецца ў межах 0,4%. Гэты ўдасканалены метад дазваляе дасягнуць нізкай кошту ў суровых і зменлівых умовах.

 

увядзенне

У цяперашні час існуе мноства метадаў вымярэння ўзроўню вадкасці, такіх як вымярэнне ўзроўню паплаўком, вымярэнне ўзроўню з дапамогай уваходнага ціску, вымярэнне ўзроўню мікрахвалевым радарам, інфрачырвонае вымярэнне ўзроўню, лазернае вымярэнне ўзроўню і ультрагукавое вымярэнне ўзроўню. Сярод іх датчык ціску  прадстаўлены  кантактным вымярэннем , якое будзе забруджвацца пры выкарыстанні ў такіх сцэнах, як моцны асадак, і потым выклікаць вялікія памылкі. Для бескантактавых сістэм вызначэння адлегласці вымярэнне ўзроўню вадкасці мікрахвалевым радарам тэхнічна складанае і дарагое; інфрачырвонае вымярэнне ўзроўню вадкасці каштуе недорага і проста ў выкананні, але мае дрэнную накіраванасць і нізкую дакладнасць; у той час як ультрагукавое вымярэнне ўзроўню вадкасці можа быць выканана без кантакту з паверхняй вадкасці , што  дазваляе пазбегнуць уплыву забруджвання вадкасці і карозіі на вымяральнае абсталяванне, яно  не падвяргаецца ўздзеянню святла, дыму, электрамагнітных перашкод і мае такія перавагі, як высокае дазвол, простая структура сістэмы, зручная ўстаноўка і нізкі кошт.

Ультрагукавыя метады вызначэння далёкасці ў асноўным ўключаюць метад выяўлення фазы, метад выяўлення амплітуды акустычнай хвалі і метад выяўлення часу праходжання. Нягледзячы на ​​тое, што метад вызначэння фазы мае высокую дакладнасць, дыяпазон вымярэнняў абмежаваны, таму ён менш ужываецца; метад вызначэння амплітуды акустычнай хвалі мае нізкую дакладнасць і лёгка паддаецца ўздзеянню адлюстраваных хваль; у той час як метад часу праходжання знаходзіцца паміж першымі двума метадамі, з больш высокай дакладнасцю і вымярэннем Ён мае шырокі дыяпазон і шырока выкарыстоўваецца.

У практычных прымяненнях канструкцыя сістэмы вымярэння далёкасці мае вялікі ўплыў на дакладнасць вымярэння адлегласці. Такім чынам, аналіз прынцыпу працы і працэсу ультрагукавога вызначэння дальнасці, удасканаленне метадаў і спосабаў вымярэння дальнасці і павышэнне дакладнасці ультрагукавога пераўтваральніка дальнасці прыцягвае ўсё больш увагі. У адпаведнасці з канкрэтным асяроддзем сістэмы вызначэння дальнасці метад павышэння дакладнасці трохі адрозніваецца. Гэты артыкул прысвечаны памяншэнню ўплыву знешняга асяроддзя, выбар ультрагукавога пераўтваральніка спалучаецца з рэалізацыяй канкрэтнай сістэмы, каб павысіць дакладнасць ультрагукавога вымярэння ўзроўню.

 

Прынцып ультрагукавога ​ апраменьвання​

Ультрагукавыя хвалі, якія выкарыстоўваюцца для вымярэння адлегласці, звычайна ствараюцца п'езаэлектрычным эфектам п'езаэлектрычнай керамікі. Гэты п'езаэлектрычны керамічны датчык мае дзве п'езаэлектрычныя пласціны і рэзанансную пласціну. Калі частата двухузроўневага знешняга імпульснага сігналу роўная ўласнай п'езаэлектрычнай пласціне. На частаце ваганняў п'езаэлектрычная пласціна будзе ўступаць у рэзананс і прымушаць рэзанансную пласціну вібраваць, тым самым ствараючы ультрагукавыя хвалі; калі рэзанансная пласціна атрымлівае ультрагукавыя хвалі, яна будзе націскаць на п'езаэлектрычную пласціну, каб яна вібравала і пераўтварала механічную энергію ў электрычныя сігналы.

прынцып працы ультрагукавога далятара  . Выкарыстоўваючы вядомую хуткасць распаўсюджвання v ультрагукавых хваль у паветры, ультрагукавы пераўтваральнік выпраменьвае ультрагукавыя хвалі вертыкальна на паверхню вадкасці, і гукавыя хвалі адлюстроўваюцца на мяжы паміж паверхняй вады і газам і перадаюцца назад да ультрагукавога пераўтваральніка, а час распаўсюджвання t запісваецца, гэта значыць ад часу ад перадачы ультрагукавога сігналу да атрымання ультрагукавога рэха-сігналу, адлегласці паміж пераўтваральнік і ўзровень вадкасці L = 0,5vt, і тады фактычны ўзровень вадкасці: Паказаны

S=HL=H-0,5vt(1)

 

Фактары і рашэнні, якія ўплываюць на вымярэнне

Згодна з формулай (1), асноўнымі фактарамі, якія ўплываюць на дакладнасць ультрагукавога вызначэння адлегласці, з'яўляюцца хуткасць і час распаўсюджвання ультрагуку. Акрамя таго, існуюць ультрагукавыя частоты, якія ўплываюць на дыяпазон і дакладнасць вымярэнняў. Тут час распаўсюджвання не вывучаецца і не абмяркоўваецца, вывучаюцца і аналізуюцца толькі памылкі ў двух іншых аспектах і прапануюцца разумныя рашэнні.

 

Хуткасць распаўсюджвання ультрагуку

Большая частка літаратуры прапануе выкарыстоўваць метад тэмпературнай карэкцыі для кампенсацыі хуткасці гуку, і формула хуткасці распаўсюджвання v=331,5+0,607T, дзе T - тэмпература (℃). Затым быў прапанаваны метад падвойнай кампенсацыі тэмпературы і вільготнасці, а формула хуткасці распаўсюджвання:

Сярод іх pw - парцыяльны ціск вадзяной пары, p - атмасферны ціск, T0 - абсалютная тэмпература, t - вымераная тэмпература паветра і v - хуткасць ультрагукавой хвалі пасля кампенсацыі. Аўтар лічыць, што рэальнае паветра не зусім сухое, а сярэдняя малярная маса і ўдзельная цеплаёмістасць паветра скарэктаваныя. Хоць гэты метад улічвае ўплыў вільготнасці на хуткасць гуку, хуткасць распаўсюджвання таксама залежыць ад асяроддзя распаўсюджвання, хуткасці ветру і ціску ў рэальных умовах навакольнага асяроддзя. Іншыя фактары звязаны, таму вынікі вымярэнняў усё яшчэ маюць вялікія памылкі.

 

Грунтуючыся на ўплыве навакольнага асяроддзя на хуткасць распаўсюджвання, некаторая літаратура прапануе эталонны метад вымярэння. Прынцып заключаецца ў выкарыстанні двухканальнага метаду. Адзін канал выкарыстоўваецца для вымярэння хуткасці распаўсюджвання ультрагуку. Стандартная перагародка з вядомай адлегласцю размяшчаецца перад ультрагукавым датчыкам. Вымярэнне розніцы ў  часе ультрагукавой хвалі, якая дасягае перагародкі, для разліку хуткасці распаўсюджвання ультрагукавой хвалі ў навакольным асяроддзі; іншы канал па-ранейшаму вымярае адлегласць у адпаведнасці са звычайным метадам вымярэння. Такім чынам, прапануецца паказаны стандартны метад ўстаноўкі перагародкі. Гэты метад дазваляе дасягнуць больш высокай дакладнасці вымярэння і адаптавацца да розных складаных умоў. Аднак да мантажу стандартных дэфлектараў прад'яўляюцца строгія патрабаванні. Такім чынам, адпаведны разлік двайны . Карта размяшчэння ультрагукавога пераўтваральніка складаная, і нявызначанасць рэальнага асяроддзя можа прывесці да таго, што ультрагукавая хваля дасягае перагародкі, ствараючы бескарысныя ультрагукавыя хвалі праз шматразовыя адлюстраванні, што ўплывае на дакладнасць вымярэння. Такім чынам, прапануецца двайны ультрагукавы пераўтваральнік. .Адзін выкарыстоўваецца для вымярэння хуткасці распаўсюджвання, а другі выкарыстоўваецца для вымярэння часу распаўсюджвання, не ўплываючы адзін на аднаго. Хоць гэты метад памяншае вылічальную складанасць, ліквідуе бескарысныя ультрагукавыя хвалі і павышае дакладнасць вымярэнняў, кошт двух пераўтваральнікаў адносна вялікі, што не спрыяе папулярызацыі.

 

На аснове прыведзеных вышэй даследаванняў і аналізу ў гэтым артыкуле прапануецца метад выкарыстання рулявога механізму для кіравання напрамкам аднаго ультрагукавога пераўтваральніка, які не толькі ўлічвае фактары, якія ўплываюць на хуткасць распаўсюджвання, але і зніжае кошт, што спрыяе папулярызацыі ў розных галінах. стандартная перагародка размяшчаецца вертыкальна і размяшчаецца на адной гарызантальнай лініі з ультрагукавым датчыкам. Адлегласць паміж імі фіксавана і перавышае сляпую зону ультрагукавога датчыка; рулявы механізм кіруе ультрагукавым пераўтваральнікам У гэтым напрамку адначыпавы мікракампутар адпраўляе інструкцыі, каб рулявы механізм кіраваў пераўтваральнікам вертыкальна да паверхні вадкасці, і адпраўляў ультрагукавыя хвалі для вымярэння часу распаўсюджвання, затым кантраляваў паварот датчыка на 90°, вертыкальны твар да стандартнай перагародкі і пасылаў ультрагукавыя хвалі для вымярэння хуткасці распаўсюджвання.

 

 

Ультрагукавая частата

Ураўненне хвалі распаўсюджвання ультрагуку ў паветры, дзе A — амплітуда, атрыманая ультрагукавым пераўтваральнікам, A0 — пачатковая амплітуда, выпраменьваная ультрагукавым пераўтваральнікам, x — адлегласць распаўсюджвання ультрагукавой хвалі, ω — вуглавая частата ультрагукавой хвалі, t — час распаўсюджвання ультрагукавой хвалі, λ — даўжыня хвалі ультрагуку, α — каэфіцыент паслаблення ультрагуку, формула α=bf2, дзе b — дыэлектрычная пранікальнасць, f — частата ультрагуку.

Згодна з ураўненнем (3), можна бачыць, што калі адлегласць распаўсюджвання ультрагукавых хваль у паветры дасягае 0,5α, амплітуда ультрагукавых хваль аслабляецца да 1/e ад зыходнай. Чым вышэй ультрагукавая частата, тым мацней згасанне і меншы дыяпазон выяўленай адлегласці, але чым меншы кут распаўсюджвання выпраменьванай ультрагукавой хвалі, тым танчэйшы прамень і лепшая накіраванасць.

прапануе выкарыстанне фарміравання падвойнага кампаратара для вызначэння пярэдняга краю рэха, але з-за нявызначанасці рэальнага асяроддзя вымярэння два парогі кампаратара могуць быць устаноўлены занадта малымі або занадта вялікімі, што прывядзе да зніжэння дакладнасці вымярэння. Зыходзячы з гэтага, у гэтым артыкуле прапануецца выкарыстоўваць праграмуемы ўзмацняльнік узмацнення PGA112 для павышэння дакладнасці ўлоўлівання пярэдняга фронту першага рэха праз шматразовую карэкцыю ўзмацнення.

дызайн праграмнага забеспячэння

3.1 Ідэі дызайну праграмы і звязаныя з імі моманты ўвагі

Для таго, каб дасягнуць высокадакладнага вымярэння ўзроўню вадкасці, праца, якую павінна выканаць праграмнае забеспячэнне:

(1) Генераваць ультрагук 40 кГц;

(2) Вымярэнне часу распаўсюджвання ультрагукавых хваль;

(3) Кіруйце рулявым механізмам, каб кантраляваць кірунак перадаючага і прымаючага канцоў ультрагукавога пераўтваральніка;

(4) Вымярэнне хуткасці распаўсюджвання ультрагукавых хваль;

(5) Выберыце адпаведную ультрагукавую частату ў якасці тэставага аб'екта ў адпаведнасці з адлегласцю;

(6) Разлічыце вышыню ўзроўню вадкасці і выканайце адпаведныя дзеянні, напрыклад адлюстраванне даных. Серыя імпульсаў 40 кГц прылады генеруецца праграмным забеспячэннем; вымярэнне часу і хуткасці распаўсюджвання ультрагукавой хвалі, а таксама кіраванне рулявым механізмам завяршаюцца сінхранізацыяй/лічыльнікам адначыпавага мікракампутара.

Пры напісанні сістэмнай праграмы ўлічвайце апаратнае падключэнне, але таксама ўлічвайце ўстаноўку прасторы для захоўвання, выкарыстанне рэгістраў і знешніх кантактаў перапынення. Акрамя таго, з-за існавання паслявібрацыі і дыфракцыі праломленых хваль патрабуецца некаторы перыяд часу, каб атрымаць рэха пасля заканчэння перадачы ультрагукавых хваль для адпаведнай апрацоўкі.

Асноўны ход праграмы

Сістэма выкарыстоўвае модульнае праграмаванне, уключаючы асноўны праграмны модуль, модуль вымярэння часу распаўсюджвання ультрагуку, модуль рулявога кіравання, модуль вымярэння хуткасці распаўсюджвання ультрагуку, модуль разліку ўзроўню вадкасці, дысплей даных і іншыя адпаведныя u ультрагукавы модуль датчыка адлегласці . Пасля ініцыялізацыі сістэмы выкарыстоўвайце аператар while(1), каб атрымаць наступны бясконцы цыкл: спачатку выклічце модуль вымярэння часу распаўсюджвання ультрагуку і адначасова перадайце ультрагук, уключыце лічыльнік, каб пачаць адлік часу, і выключыце знешняе перапыненне. Затрымка 1 мс, затым уключыце знешняе перапыненне і дачакайцеся рэха. Пры выяўленні рэха спыніце таймер у знешняй праграме перапынення, захавайце значэнне таймера і сцяг прыёму рэха ўсталюеце ў 1. Затым выклічце модуль рулявога кіравання рулявым механізмам, уключыце лічыльнік, каб пачаць адлік часу, і кантралюйце становішча 1, калі працягласць імпульсу больш за 2,5 мс, кантралюйце становішча 0; калі адлік дасягае 3 мс, лічыльнік абнуляецца, каб зрабіць рулявы механізм 90°. Затым выклічце модуль вымярэння хуткасці распаўсюджвання ультрагуку і вылічыце хуткасць гуку праз фіксаваную адлегласць стандартнай перагародкі. У модулі рулявога кіравання рулявога механізму ўсталюйце шырыню імпульсу на 1,5 мс, каб рулявы механізм павярнуўся на 0°. Нарэшце, мікракантролер выклікае праграму разліку ўзроўню вадкасці і выконвае адпаведныя дзеянні, такія як адлюстраванне дадзеных.

Эксперыментальныя вынікі і аналіз

Гэтая сістэма ўмацоўвае праграмнае забеспячэнне на адначыпавым мікракампутары STC12C5A60S2. Каб праверыць эфект вымярэння ультрагукавой сістэмы вымярэння ўзроўню вадкасці, для вымярэння на адкрытым паветры быў абраны рэзервуар для вады з адносна стабільнай хуткасцю патоку, і ўзровень вады змяняўся шляхам кіравання клапанам. Сістэма была ўстаноўлена ў 7 м ад дна танка. Метад атрымання сярэдняга 3 вымярэнняў прыняты для памяншэння выпадковай памылкі сістэмы.

Вынікі вымярэнняў u Ультразвукавы пераўтваральнік адлегласці параўноўваецца з дадзенымі вымярэнняў вадамера, як паказана ў табліцы 1. Згодна з эксперыментальнымі вымярэннямі і аналізам памылак, сістэма мае сляпую зону вымярэння 30 мм, а хібнасць вымярэння ў асноўным кантралюецца на ўзроўні 0,4%, дасягаючы высокадакладнага дыяпазону, які можа задаволіць патрэбы вымярэнняў у прамысловай і сельскагаспадарчай вытворчасці.

Заключныя словы

У ультрагукавой сістэме вымярэння ўзроўню вадкасці, на аснове поўнага аналізу прычын u Датчык ультрагукавога пераўтваральніка , для вымярэння хуткасці распаўсюджвання ультрагуку, у залежнасці ад уплыву фактараў навакольнага асяроддзя і ўліку праблем з коштам, прапануецца выкарыстоўваць рулявы механізм для кантролю напрамку ультрагукавога пераўтваральніка для дасягнення Метад карэкцыі кампенсацыі перагародкі, які эканоміць выдаткі, спрашчае канструкцыю і цалкам улічвае фактары ўздзеяння на навакольнае асяроддзе, - гэта метад і тэхнічныя сродкі, якія не згадваліся ў адпаведнай літаратуры па вымярэнні ўзроўню вадкасці. Для дакладнага ўлоўлівання пярэдняга фронту першага ультрагукавога рэха выкарыстоўваецца праграмуемы метад узмацнення для паляпшэння ўлоўлівання пярэдняга фронту першага рэха, тым самым павышаючы дакладнасць вызначэння далёкасці. У прамысловых і сельскагаспадарчых прымяненнях з тэмай энергазберажэння, аховы навакольнага асяроддзя і прастаты гэты ўдасканалены метад стаў новай ідэяй ультрагукавога вымярэння ўзроўню з яго унікальнымі перавагамі.