princip ultrazvukového měření vzdálenosti a vysoce přesný systém měření hladiny kapaliny

Ultrazvukový pro měření vzdálenosti  senzor  má řadu výhod, ale existuje mnoho faktorů, které ovlivňují přesnost měření, takže je obtížné dosáhnout vyšší přesnosti. Na principu ultrazvukového měření vzdálenosti je program kompenzace teploty a vlhkosti  ultrazvukového snímače  jediný, který nemůže dosáhnout vysoce přesného měření vzdálenosti v proměnlivém a drsném prostředí, a standardní program kompenzace přepážky pro duální ultrazvukové snímače .Náklady jsou vysoké a nelze je široce aplikovat na defekty v různých oblastech. Jednotné standardní schéma kompenzace  ozvučnice Piezoelektrický ultrazvukový ,  ssnímač je navržen tak  aby pomocí převodky řízení řídil směr ultrazvukového snímače. V reakci na požadavek, že první čelo ozvěny nemůže být přesně zachyceno, je navržen programovatelný zesilovač zesílení pro zachycení zpětného čela ozvěny v různých vzdálenostech. Experimentální výsledky ukazují, že v rozsahu 7 m, kdy je jako médium šíření použit vzduch a odrazným povrchem je voda s dobrými emisními vlastnostmi, je chyba měření kontrolována v rozmezí 0,4 %. Tato vylepšená metoda může dosáhnout nízkých nákladů v drsném a proměnlivém prostředí.

 

zavedení

V současné době existuje mnoho metod měření hladiny kapalin, jako je plovákové měření hladiny, vstupní tlakově asistované měření hladiny, mikrovlnné radarové měření hladiny, infračervené měření hladiny, laserové měření hladiny a ultrazvukové měření hladiny. Mezi nimi tlakový senzor  je  reprezentován kontaktním měřením , které bude kontaminováno při použití ve scénách, jako je těžký sediment, a pak způsobí velké chyby. U bezkontaktních měřících systémů je mikrovlnné radarové měření hladiny kapaliny technicky obtížné a nákladné; infračervené měření hladiny kapaliny je levné a snadno implementovatelné, ale má špatnou směrovost a nízkou přesnost; zatímco ultrazvukové měření hladiny kapaliny lze provádět bez kontaktu s povrchem kapaliny , což  zabraňuje vlivu znečištění kapaliny a koroze na měřicí zařízení, nepodléhá  světlu, kouři, elektromagnetickému rušení a má výhody vysokého rozlišení, jednoduché struktury systému, pohodlné instalace a nízkých nákladů.

Metody ultrazvukového určování vzdálenosti zahrnují především metodu fázové detekce, metodu detekce amplitudy akustické vlny a metodu detekce doby průchodu. Ačkoli metoda detekce fáze má vysokou přesnost, rozsah měření je omezený, takže se méně používá; metoda detekce amplitudy akustické vlny má nízkou přesnost a je snadno ovlivněna odraženými vlnami; zatímco metoda doby průchodu je mezi prvními dvěma metodami, s vyšší přesností a měřením Má široký rozsah a je široce používána.

V praktických aplikacích má na přesnost měření velký vliv konstrukce měřícího systému. Proto analýza pracovního principu a procesu ultrazvukového určování vzdálenosti, zlepšování metod a metod určování vzdálenosti a zlepšování přesnosti ultrazvukového snímače rozsahu přitahuje stále více pozornosti. Podle specifického prostředí zaměřovacího systému se způsob zlepšování přesnosti mírně liší. Tento článek se zaměřuje na snížení vlivu vnějšího prostředí, výběr ultrazvukového měniče je kombinován s realizací konkrétního systému, pro zlepšení přesnosti ultrazvukového měření hladiny.

 

Princip ultrazvukového ​ měření​

Ultrazvukové vlny používané pro měření vzdálenosti jsou obvykle generovány piezoelektrickým efektem piezoelektrické keramiky. Tento piezoelektrický keramický senzor má dvě piezoelektrické destičky a rezonanční desku. Když je frekvence dvouúrovňového externího pulzního signálu rovna vlastní piezoelektrické destičce. Při oscilační frekvenci bude piezoelektrická destička rezonovat a pohánět rezonanční destičku, aby vibrovala, a tím generovala ultrazvukové vlny; když rezonanční deska přijímá ultrazvukové vlny, přitlačí piezoelektrickou destičku, aby vibrovala a přeměnila mechanickou energii na elektrické signály.

princip ultrazvukového  snímače rozsahu. Pomocí známé rychlosti šíření v ultrazvukových vln ve vzduchu ultrazvukový převodník vysílá ultrazvukové vlny svisle k hladině kapaliny a zvukové vlny se odrážejí na rozhraní mezi vodní hladinou a plynem a přenášejí se zpět do ultrazvukového převodníku a zaznamenává se doba šíření t, to znamená od doby od vyslání ultrazvukového signálu do příjmu hladiny kapaliny. L = 0,5 V a skutečná hladina kapaliny je: Je ukázán

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

 

Ovlivňování faktorů měření a řešení

Podle vzorce (1) jsou hlavními faktory, které ovlivňují přesnost měření ultrazvuku, rychlost šíření ultrazvuku a doba šíření ultrazvuku. Kromě toho existují ultrazvukové frekvence, které ovlivňují rozsah a přesnost měření. Zde se nestuduje a nediskutuje doba šíření, pouze se studují a analyzují chyby v dalších dvou aspektech a navrhují se rozumná řešení.

 

Rychlost šíření ultrazvuku

Většina literatury navrhuje použít ke kompenzaci rychlosti zvuku metodu teplotní korekce a vzorec rychlosti šíření je v=331,5+0,607T, kde T je teplota (℃). Poté byla navržena metoda dvojité kompenzace teploty a vlhkosti a vzorec rychlosti šíření je:

Mezi nimi pw je parciální tlak vodní páry, p je atmosférický tlak, T0 je absolutní teplota, t je naměřená teplota vzduchu a v je rychlost ultrazvukové vlny po kompenzaci. Autor se domnívá, že skutečný vzduch není zcela suchý a průměrná molární hmotnost a poměr měrného tepla vzduchu jsou korigovány. Ačkoli tato metoda bere v úvahu vliv vlhkosti na rychlost zvuku, rychlost šíření také souvisí s prostředím šíření, rychlostí větru a tlakem za skutečných podmínek prostředí. Další faktory spolu souvisí, takže výsledky měření mají stále velké chyby.

 

Na základě vlivu prostředí na rychlost šíření navrhuje některá literatura referenční metodu měření. Principem je použití dvoukanálové metody. Jeden kanál se používá k měření rychlosti šíření ultrazvuku. Před ultrazvukový měnič je umístěna standardní přepážka se známou vzdáleností. Měření ;  časového rozdílu ultrazvukové vlny dopadající na přepážku pro výpočet rychlosti šíření ultrazvukové vlny v prostředí druhý kanál stále měří vzdálenost podle normální metody měření. Proto je navržen standardní způsob instalace přepážky. Touto metodou lze dosáhnout vyšší přesnosti měření a přizpůsobit se různým složitým prostředím. Existují však přísné požadavky na instalaci standardních přepážek. Odpovídající výpočet je proto dvojnásobný . Mapa polohy instalace ultrazvukového snímače je komplikovaná a nejistota skutečného prostředí může způsobit, že ultrazvuková vlna dosáhne ozvučnice a vytvoří zbytečné ultrazvukové vlny prostřednictvím více odrazů, což ovlivňuje přesnost měření. Proto je navržen duální ultrazvukový měnič .Jeden se používá k měření rychlosti šíření a druhý se používá k měření doby šíření, aniž by se vzájemně ovlivňovaly. Přestože tato metoda snižuje výpočetní složitost, eliminuje zbytečné ultrazvukové vlny a zlepšuje přesnost měření, cena těchto dvou převodníků je poměrně vysoká, což nepřispívá k popularizaci.

 

Na základě výše uvedeného výzkumu a analýzy tento článek navrhuje metodu využití kormidelního zařízení pro řízení směru jediného ultrazvukového měniče, která nejen zohledňuje faktory ovlivňující rychlost šíření, ale také snižuje náklady, což je výhodné pro popularizaci v různých oblastech. standardní přepážka je umístěna vertikálně a umístěna na stejné horizontální linii jako ultrazvukový měnič. Vzdálenost mezi těmito dvěma je pevná a větší než slepá zóna ultrazvukového měniče; převodka řízení ovládá ultrazvukový převodník Ve směru jednočipový mikropočítač posílá pokyny, aby převodník řídil převodník tak, aby směřoval k povrchu kapaliny svisle, a vysílá ultrazvukové vlny pro měření doby šíření, poté ovládá převodník tak, aby se otočil o 90°, svisle směřoval ke standardní přepážce a posílal ultrazvukové vlny k měření rychlosti šíření.

 

 

Ultrazvuková frekvence

Vlnová rovnice šíření ultrazvuku ve vzduchu, kde A je amplituda přijímaná ultrazvukovým převodníkem, A0 je počáteční amplituda vyzařovaná ultrazvukovým převodníkem, x je vzdálenost šíření ultrazvukové vlny, ω je úhlová frekvence ultrazvukové vlny a t je ultrazvuková vlna je doba šíření ultrazvuku a délka vlny α je délka vlny λ vzorec je α=bf2, kde b je dielektrická konstanta a f je frekvence ultrazvuku.

Podle rovnice (3) je vidět, že když vzdálenost šíření ultrazvukových vln ve vzduchu dosáhne 0,5α, amplituda ultrazvukových vln se utlumí na 1/e původní. Čím vyšší je ultrazvuková frekvence, tím závažnější je útlum a čím menší je detekovatelný rozsah vzdálenosti, ale čím menší je úhel šíření emitované ultrazvukové vlny, tím tenčí paprsek a lepší směrovost.

navrhuje použití duálního tvarování komparátoru pro určení přední hrany echa, ale kvůli nejistotě skutečného prostředí měření mohou být prahové hodnoty dvou komparátorů nastaveny příliš malé nebo příliš velké, což má za následek sníženou přesnost měření. Na základě toho tento článek navrhuje použít programovatelný zesilovač zesílení PGA112 ke zlepšení přesnosti zachycení přední hrany prvního echa pomocí více korekcí zesílení.

návrh softwaru

3.1 Nápady na návrh programu a související body pozornosti

Aby bylo dosaženo vysoce přesného měření hladiny kapaliny, musí software dokončit práci:

(1) Generování 40 kHz ultrazvuku;

(2) Měření doby šíření ultrazvukových vln;

(3) Ovládání řízení kormidelního zařízení pro ovládání směru vysílacích a přijímacích konců ultrazvukového měniče;

(4) Změřte rychlost šíření ultrazvukových vln;

(5) Vyberte vhodnou ultrazvukovou frekvenci jako testovací objekt podle vzdálenosti;

(6) Vypočítejte výšku hladiny kapaliny a proveďte odpovídající akce, jako je zobrazení dat. Sled pulzů 40 kHz zařízení je generován softwarem; měření doby šíření a rychlosti ultrazvukové vlny a řízení kormidelního zařízení je doplněno časováním/čítačem jednočipového mikropočítače.

Při psaní systémového programu zvažte hardwarové připojení, ale také zvažte nastavení úložného prostoru, použití registrů a externích pinů přerušení. Navíc, vzhledem k existenci dovibrací a difrakce lomených vln, trvá přijetí echa po skončení přenosu ultrazvukových vln určitou dobu pro odpovídající zpracování.

Hlavní průběh programu

Systém přijímá modulární programování, včetně hlavního programového modulu, modulu měření doby šíření ultrazvuku, modulu řízení kormidelního zařízení, modulu měření rychlosti šíření ultrazvuku, modulu pro výpočet hladiny kapaliny, zobrazení dat a dalších odpovídajících u ultrazvukový modul snímač vzdálenosti . Po inicializaci systému použijte příkaz while(1) k dosažení následující nekonečné smyčky: nejprve zavolejte modul pro měření doby šíření ultrazvuku a současně odešlete ultrazvuk, zapněte čítač, aby se spustilo časování, a vypněte externí přerušení. Zpoždění 1 ms, poté zapněte externí přerušení a počkejte na echo. Když je detekována ozvěna, zastavte časovač v programu externího přerušení, uložte hodnotu časovače a příznak příjmu ozvěny se nastaví na 1. Poté zavolejte modul řízení převodky řízení, zapněte počítadlo pro spuštění časování a ovládejte polohu 1, když je šířka impulzu větší než 2,5 ms, poloha ovládání 0; když počet dosáhne 3 ms, počítadlo se vymaže, aby se převodka řízení otočila o 90°. Poté zavolejte modul pro měření rychlosti šíření ultrazvuku a vypočítejte rychlost zvuku přes pevnou vzdálenost standardní ozvučnice. V modulu řízení převodky řízení nastavte šířku impulsu na 1,5 ms, aby se převodka řízení otočila na 0°. Nakonec mikrokontrolér zavolá program pro výpočet hladiny kapaliny a provede odpovídající akce, jako je zobrazení dat.

Experimentální výsledky a analýzy

Tento systém upevňuje software na jednočipovém mikropočítači STC12C5A60S2. Pro ověření účinku měření ultrazvukového systému měření hladiny kapaliny byla pro měření venku vybrána vodní nádrž s relativně stabilním průtokem a hladina vody byla měněna ovládáním ventilu. Systém byl instalován 7 m od dna nádrže. Metoda měření průměru ze 3 měření je přijata pro snížení náhodné chyby systému.

měření Výsledky u ultrazvukový snímač vzdálenosti jsou porovnávány s údaji o měření vodoměru, jak je uvedeno v tabulce 1. Podle experimentálního měření a analýzy chyb má systém slepou zónu měření 30 mm a chyba měření je v zásadě kontrolována na 0,4 %, čímž se dosahuje vysoce přesného rozsahu, který může splnit potřeby měření v průmyslové a zemědělské výrobě.

Závěrečné poznámky

V ultrazvukovém systému měření hladiny kapaliny na základě úplné analýzy příčin u snímač ultrazvukového snímače , pro měření rychlosti šíření ultrazvuku, podle vlivu faktorů prostředí a zvážení nákladů, se navrhuje použít kormidelní zařízení pro řízení směru ultrazvukového snímače, aby se dosáhlo Metoda korekce kompenzace přepážky, která šetří náklady, zjednodušuje konstrukci a plně zohledňuje faktory vlivu na životní prostředí, je metoda a technické prostředky měření hladiny kapaliny, které nebyly zmíněny v literatuře. Pro přesné zachycení předního okraje první ultrazvukové ozvěny se používá programovatelná metoda zesílení, aby se zlepšilo zachycení první přední hrany ozvěny, čímž se zlepšila přesnost určování vzdálenosti. V průmyslových a zemědělských aplikacích s tématem úspory energie, ochrany životního prostředí a jednoduchosti se tato vylepšená metoda stala novým nápadem pro ultrazvukové měření hladiny se svými jedinečnými výhodami.