princippet om ultralydsafstandsmåling og højpræcisions væskeniveaumålingssystem

Ultralydsafstandsmålingssensor har en række fordele, men der er mange faktorer  ,  der påvirker målenøjagtigheden, så det er svært at opnå højere nøjagtighed. Baseret på princippet om ultralydsafstandsmåling, er temperatur- og fugtkompensationsprogram  for ultralydstransduceren  enkelt, hvilket ikke kan opnå højpræcisionsafstandsmåling i et foranderligt og barskt miljø, og et standard baffelkompensationsprogram for dobbelte ultralydstransducere. .Omkostningerne er høje og kan ikke anvendes bredt til defekter på forskellige områder. En enkelt standard baffelkompensationsordning  på p iezoelektriske u ltralydsensor  sDen  er designet, der bruger et styretøj til at styre retningen af ​​ultralydstransduceren. Som svar på kravet om, at den første ekkofront ikke kan opfanges nøjagtigt, foreslås en programmerbar forstærkningsforstærker til at fange returfronten af ​​ekkoet i forskellige afstande. Forsøgsresultaterne viser, at i intervallet 7 m, når luft anvendes som udbredelsesmedie og den reflekterende overflade er vand med gode emissionsegenskaber, kontrolleres målefejlen inden for 0,4 %. Denne forbedrede metode kan opnå lave omkostninger under det barske og omskiftelige miljø.

 

indledning

På nuværende tidspunkt er der mange metoder til måling af væskeniveau, såsom flyderniveaumåling, inputtrykassisteret niveaumåling, mikrobølgeradarniveaumåling, infrarød niveaumåling, laserniveaumåling og ultralydsniveaumåling. Blandt dem tryksensoren  er  repræsenteret af kontaktmåling , som vil blive forurenet, når den bruges i scener som tungt sediment, og derefter forårsage store fejl. For berøringsfri afstandsmålingssystemer er måling af væskeniveau i mikrobølgeradar teknisk vanskelig og dyr; infrarød væskeniveaumåling er lav i omkostninger og nem at implementere, men har dårlig retningsbestemmelse og lav nøjagtighed; mens ultralydsmåling af væskeniveau kan udføres uden at berøre væskeoverfladen , hvilket  undgår påvirkning af væskeforurening og korrosion på måleudstyret, er det  ikke udsat for lys, røg, elektromagnetisk interferens og har fordelene ved høj opløsning, enkel systemstruktur, bekvem installation og lave omkostninger.

Ultralydsmålingsmetoder omfatter hovedsagelig fasedetekteringsmetode, akustisk bølgeamplitudedetektionsmetode og transittidsdetektionsmetode. Selvom fasedetektionsmetoden har høj nøjagtighed, er måleområdet begrænset, så det er mindre anvendt; den akustiske bølgeamplitudedetektionsmetode har lav nøjagtighed og påvirkes let af reflekterede bølger; mens transittidsmetoden er mellem de to første metoder, med højere nøjagtighed og måling Den har en bred vifte og er meget udbredt.

I praktiske applikationer har udformningen af ​​afstandssystemet stor indflydelse på afstandsnøjagtigheden. Derfor har analyse af arbejdsprincippet og processen med ultralydsmåling, forbedring af metoderne og metoderne til rækkevidde og forbedring af nøjagtigheden af ​​ultralydsafstandstransduceren tiltrukket sig mere og mere opmærksomhed. I henhold til det specifikke miljø i afstandssystemet er metoden til at forbedre nøjagtigheden lidt anderledes. Denne artikel fokuserer på at reducere påvirkningen af ​​det ydre miljø, valget af ultralydstransducer kombineres med realiseringen af ​​det specifikke system for at forbedre nøjagtigheden af ​​ultralydsniveaumåling.

 

Princippet om u ltrasonisk r anging

Ultralydsbølger, der bruges til afstandsmåling, genereres normalt af den piezoelektriske effekt af piezoelektrisk keramik. Denne piezoelektriske keramiske sensor har to piezoelektriske wafere og en resonansplade. Når frekvensen af ​​det eksterne pulssignal med to niveauer er lig med den iboende piezoelektriske wafer. Ved oscillationsfrekvensen vil den piezoelektriske wafer give resonans og drive resonanspladen til at vibrere, hvorved der genereres ultralydsbølger; når resonanspladen modtager ultralydsbølger, vil den presse den piezoelektriske wafer til at vibrere og konvertere mekanisk energi til elektriske signaler.

Princippet for ultralydsafstandstransducer  er  vist. Ved at bruge den kendte udbredelseshastighed v af ultralydsbølger i luften udsender ultralydstransduceren ultralydsbølger lodret til væskeoverfladen, og lydbølgerne reflekteres ved grænsefladen mellem vandoverfladen og gassen og sendes tilbage til ultralydstransduceren, og udbredelsestiden t registreres, dvs. mellem transduceren og væskeniveauet L=0,5vt, og så er det faktiske væskeniveau:

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

 

Påvirkning af målefaktorer og løsninger

Ifølge formel (1) er de vigtigste faktorer, der påvirker nøjagtigheden af ​​ultralydsafstanden, ultralydsudbredelseshastigheden og ultralydsudbredelsestid. Derudover er der ultralydsfrekvenser, der påvirker måleområdet og nøjagtigheden. Her undersøges og diskuteres udbredelsestiden ikke, kun fejlene i de to andre aspekter undersøges og analyseres, og der foreslås fornuftige løsninger.

 

Ultralyds udbredelseshastighed

Det meste af litteraturen foreslår at bruge temperaturkorrektionsmetoden til at kompensere lydens hastighed, og formlen for forplantningshastighed er v=331,5+0,607T, hvor T er temperaturen (℃). Derefter blev der foreslået en dobbelt kompensationsmetode for temperatur og fugtighed, og formlen for udbredelseshastighed er:

Blandt dem er pw partialtrykket af vanddamp, p er det atmosfæriske tryk, T0 er den absolutte temperatur, t er den målte lufttemperatur, og v er ultralydsbølgehastigheden efter kompensation. Forfatteren mener, at den faktiske luft ikke er helt tør, og luftens gennemsnitlige molmasse og specifikke varmeforhold er korrigeret. Selvom denne metode tager højde for fugtighedens indflydelse på lydens hastighed, er udbredelseshastigheden også relateret til udbredelsesmediet, vindhastigheden og trykket under faktiske miljøforhold. Andre faktorer hænger sammen, så måleresultaterne har stadig store fejl.

 

På baggrund af miljøets indflydelse på udbredelseshastigheden foreslår noget litteratur en benchmark-målemetode. Princippet er at bruge en to-kanal metode. En kanal bruges til at måle ultralydsudbredelseshastigheden. En standardskærm med kendt afstand er placeret foran ultralydstransduceren. Måling af  tidsforskellen for den ultralydsbølge, der når ledepladen, for at beregne udbredelseshastigheden af ​​ultralydsbølgen i omgivelserne; den anden kanal måler stadig afstanden efter den normale målemetode. Derfor foreslås den viste standardbaffelinstallationsmetode. Denne metode kan opnå højere nøjagtighedsmåling og tilpasse sig forskellige komplekse miljøer. Der er dog strenge krav til montering af standardbafler. Derfor er den tilsvarende beregning dobbelt , da installationspositionskortet for ultralydstransduceren er kompliceret, og usikkerheden i det faktiske miljø kan få ultralydsbølgen til at nå baffelen for at producere ubrugelige ultralydsbølger gennem flere refleksioner, hvilket påvirker målenøjagtigheden. Derfor foreslås en dobbelt ultralydstransducer. .Den ene bruges til at måle udbredelseshastigheden, og den anden bruges til at måle udbredelsestiden uden at påvirke hinanden. Selvom denne metode reducerer beregningsmæssig kompleksitet, eliminerer ubrugelige ultralydsbølger og forbedrer målenøjagtigheden, er omkostningerne ved de to transducere relativt store, hvilket ikke er befordrende for popularisering.

 

Baseret på ovenstående forskning og analyse foreslår dette papir en metode til at bruge et styretøj til at styre retningen af ​​en enkelt ultralydstransducer, som ikke kun tager højde for de faktorer, der påvirker udbredelseshastigheden, men også reducerer omkostningerne, hvilket er gavnligt for popularisering på forskellige områder. standardbaffelen er placeret lodret og placeret på samme vandrette linje som ultralydstransduceren. Afstanden mellem de to er fast og større end den blinde zone af ultralydstransduceren; styretøjet styrer ultralydstransduceren I retningen sender single-chip mikrocomputeren instruktioner om at få styretøjet til at styre transduceren til at vende lodret mod væskeoverfladen, og sende ultralydsbølger for at måle udbredelsestiden, kontroller derefter transduceren til at rotere 90°, vende standardskærmen lodret og sende ultralydsbølger for at måle udbredelseshastigheden.

 

 

Ultralydsfrekvens

Bølgeligningen for ultralydsudbredelse i luften, hvor A er amplituden modtaget af ultralydstransduceren, A0 er den initiale amplitude, der udsendes af ultralydstransduceren, x er udbredelsesafstanden af ultralydsbølgen, ω er vinkelfrekvensen af ultralydsbølgen, og bølgen er udbredelsen af ultralydsbølgen, og bølgen er udbredelsen af ultralydsbølgen ultralyd, α er dæmpningskoefficienten for ultralyd, formlen er α=bf2, hvor b er dielektricitetskonstanten og f er frekvensen af ultralyd.

Ifølge ligning (3) kan det ses, at når udbredelsesafstanden af ​​ultralydsbølger i luften når 0,5α, dæmpes amplituden af ​​ultralydsbølger til 1/e af originalen. Jo højere ultralydsfrekvensen er, jo mere alvorlig er dæmpningen og jo mindre er det detekterbare afstandsområde, men jo mindre spredningsvinklen for den udsendte ultralydsbølge er, jo tyndere strålen og jo bedre retningsbestemmelse.

foreslår brugen af ​​dobbelt komparatorformning til at bestemme forkanten af ​​ekkoet, men på grund af usikkerheden i det faktiske målemiljø kan de to komparatortærskler være sat for små eller for store, hvilket resulterer i reduceret målenøjagtighed. Baseret på dette foreslår denne artikel at bruge den programmerbare forstærkningsforstærker PGA112 til at forbedre nøjagtigheden af ​​at fange forkanten af ​​det første ekko gennem multiple forstærkningskorrektioner.

software design

3.1 Programdesignideer og relaterede opmærksomhedspunkter

For at opnå højpræcision væskeniveaumåling skal arbejdet udføres af softwaren:

(1) Generer 40 kHz ultralyd;

(2) måling af udbredelsestiden for ultralydsbølger;

(3) Styr styringen af ​​styretøjet for at styre retningen af ​​transducerens sende- og modtageende ender af ultralydstransduceren;

(4) Mål udbredelseshastigheden af ​​ultralydsbølger;

(5) Vælg den passende ultralydsfrekvens som testobjekt i henhold til afstanden;

(6) Beregn højden af ​​væskeniveauet og udfør tilsvarende handlinger såsom datavisning. Enhedens 40 kHz pulstog genereres af software; måling af udbredelsestiden og hastigheden af ​​ultralydsbølgen, og styringen af ​​styretøjet fuldføres af timingen/tælleren på single-chip mikrocomputeren.

Mens du skriver systemprogrammet, skal du overveje hardwareforbindelsen, men overveje også at indstille lagerpladsen, brugen af ​​registre og eksterne afbrydelsesstifter. På grund af eksistensen af ​​eftervibration og brydningsbølgediffraktion tager det desuden en periode at modtage ekkoet efter afslutningen af ​​transmissionen af ​​ultralydsbølger til tilsvarende behandling.

Hovedprogramflow

Systemet vedtager modulær programmering, herunder hovedprogrammodul, ultralydsudbredelsestidsmålingsmodul, styretøjsstyremodul, ultralydsudbredelseshastighedsmålingsmodul, væskeniveauberegningsmodul, datadisplay og andre tilsvarende u ltrasonisk modul afstandssensor . Efter at systemet er initialiseret, skal du bruge while(1)-sætningen til at opnå følgende uendelige sløjfe: ring først til modulet til måling af ultralydsudbredelsestid, og send samtidig ultralyd, tænd for tælleren for at starte timing, og sluk for den eksterne afbrydelse. Forsink 1 ms, tænd derefter for den eksterne afbrydelse og vent på ekkoet. Når der detekteres et ekko, skal du stoppe timeren i det eksterne afbrydelsesprogram, gemme værdien af ​​timeren, og ekkomodtagelsesflaget sættes til 1. Kald derefter styretøjets styremodul, tænd for tælleren for at starte timingen, og kontrolposition 1, når pulsbredden er større end 2,5 ms, kontrolposition 0; når tælleren når 3 ms, nulstilles tælleren for at gøre styretøjet 90°. Kald derefter modulet til måling af ultralydsudbredelseshastighed, og beregn lydhastigheden gennem den faste afstand af standardbaffelen. Indstil pulsbredden til 1,5 ms i styretøjets styremodul for at få styretøjet til at dreje til 0°. Til sidst kalder mikrocontrolleren væskeniveauberegningsprogrammet og udfører tilsvarende handlinger såsom datavisning.

Eksperimentelle resultater og analyse

Dette system størkner softwaren på STC12C5A60S2 single-chip mikrocomputeren. For at verificere måleeffekten af ​​ultralydsvæskestandsmålesystemet blev der til måling valgt en vandtank med en relativt stabil flowhastighed udendørs til måling, og vandstanden blev ændret ved at styre ventilen. Systemet blev installeret 7 m fra bunden af ​​tanken. Metoden til at tage gennemsnittet af 3 målinger er vedtaget for at reducere den tilfældige fejl i systemet.

Måleresultaterne vedr u ltrasonisk afstandstransducer sammenlignes med vandmålerens måledata, som vist i tabel 1. Ifølge eksperimentel måling og fejlanalyse har systemet en målingsblindzone på 30 mm, og målefejlen er som udgangspunkt kontrolleret til 0,4 %, hvilket opnår højpræcisionsafstand, som kan imødekomme målebehovet i industri- og landbrugsproduktion.

Afsluttende bemærkninger

I det ultrasoniske væskeniveaumålingssystem, baseret på den fulde analyse af årsagerne til u ltrasonisk transducersensor , til måling af ultralydsudbredelseshastigheden, i henhold til påvirkningen af ​​miljøfaktorer og hensynet til omkostningsspørgsmål, foreslås det at bruge et styretøj til at styre retningen af ​​ultralydstransduceren for at opnå. Bafflekompensations-korrektionsmetoden, der sparer omkostninger, forenkler designet og fuldt ud tager hensyn til nævnte miljømæssige påvirkningsfaktorer i litteraturen, som ikke har været en relevant metode for miljøpåvirkningsfaktorer, der ikke er en relevant litteratur. Til den præcise optagelse af den første ultralyds-ekko-frontkant, er en forstærkningsprogrammerbar metode vedtaget for at forbedre indfangningen af ​​den første ekko-forkant og derved forbedre nøjagtigheden af ​​afstandsmåling. I industrielle og landbrugsmæssige applikationer med temaet energibesparelse, miljøbeskyttelse og enkelhed er denne forbedrede metode blevet en ny idé til ultralydsniveaumåling med dens unikke fordele.