اصل اندازه گیری فاصله اولتراسونیک و سیستم اندازه گیری سطح مایع با دقت بالا

اندازه گیری فاصله اولتراسونیک  سنسور  یک سری مزیت دارد، اما عوامل زیادی وجود دارد که بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد، بنابراین دستیابی به دقت بالاتر دشوار است. بر اساس اصل اندازه‌گیری فاصله اولتراسونیک، برنامه جبران دما و رطوبت  مبدل اولتراسونیک  تک است که نمی‌تواند به اندازه‌گیری فاصله با دقت بالا در یک محیط متغیر و سخت دست یابد و یک برنامه جبرانی استاندارد برای مبدل‌های اولتراسونیک دوگانه .هزینه بالایی دارد و نمی‌توان آن را به طور گسترده برای نقص در زمینه‌های مختلف اعمال کرد. یک جبرانی استاندارد واحد طرح p iezoelectric u ltrasonic  sحسگر  طراحی شده است که از یک چرخ دنده فرمان برای کنترل جهت مبدل اولتراسونیک استفاده می کند. در پاسخ به این نیاز که نمی توان اولین جلوی اکو را به طور دقیق گرفت، یک تقویت کننده بهره قابل برنامه ریزی برای گرفتن جلوی برگشت پژواک در فواصل مختلف پیشنهاد شده است. نتایج تجربی نشان می دهد که در محدوده 7 متر، زمانی که هوا به عنوان محیط انتشار استفاده می شود و سطح بازتابنده آب با خواص انتشار خوب است، خطای اندازه گیری در 0.4٪ کنترل می شود. این روش بهبودیافته می‌تواند با هزینه کم در محیط سخت و متغیر دست یابد.

 

مقدمه

در حال حاضر روش‌های زیادی برای اندازه‌گیری سطح مایع وجود دارد، مانند اندازه‌گیری سطح شناور، اندازه‌گیری سطح به کمک فشار ورودی، اندازه‌گیری سطح رادار مایکروویو، اندازه‌گیری سطح مادون قرمز، اندازه‌گیری سطح لیزری و اندازه‌گیری سطح اولتراسونیک. در میان آنها، سنسور فشار  می شود  با اندازه گیری تماس نشان داده ، که هنگام استفاده در صحنه هایی مانند رسوبات سنگین آلوده می شود و سپس باعث خطاهای بزرگ می شود. برای سیستم های برد غیر تماسی، اندازه گیری سطح مایع رادار مایکروویو از نظر فنی دشوار و پرهزینه است. اندازه گیری سطح مایع مادون قرمز کم هزینه و آسان است، اما دارای جهت دهی ضعیف و دقت پایین است. در حالی که اندازه گیری سطح مایع اولتراسونیک را می توان بدون انجام داد تماس با سطح مایع ، که  از تأثیر آلودگی مایع و خوردگی بر روی تجهیزات اندازه گیری جلوگیری می کند، در معرض نور، دود، تداخل الکترومغناطیسی نیست  و دارای مزایای وضوح بالا، ساختار سیستم ساده، نصب راحت و هزینه کم است.

روش های محدوده اولتراسونیک عمدتاً شامل روش تشخیص فاز، روش تشخیص دامنه موج صوتی و روش تشخیص زمان عبور است. اگرچه روش تشخیص فاز دارای دقت بالایی است، محدوده اندازه گیری محدود است، بنابراین کمتر اعمال می شود. روش تشخیص دامنه موج آکوستیک دقت پایینی دارد و به راحتی تحت تأثیر امواج منعکس شده قرار می گیرد. در حالی که روش زمان گذر بین دو روش اول است، با دقت و اندازه گیری بالاتر، دامنه وسیعی دارد و بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.

در کاربردهای عملی، طراحی سیستم محدوده تاثیر زیادی بر دقت محدوده دارد. از این رو، تجزیه و تحلیل اصل کار و فرآیند محدوده اولتراسونیک، بهبود روش‌ها و روش‌های محدوده‌گیری و بهبود دقت مبدل محدوده اولتراسونیک، بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به محیط خاص سیستم محدوده، روش بهبود دقت کمی متفاوت است. این مقاله بر کاهش تأثیر محیط خارجی تمرکز دارد، انتخاب مبدل اولتراسونیک می‌شود تا دقت اندازه‌گیری سطح اولتراسونیک را بهبود بخشد. با تحقق یک سیستم خاص ترکیب

 

اصل فراصوتی​ صدای ​

امواج اولتراسونیک که برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌شوند معمولاً توسط اثر پیزوالکتریک سرامیک‌های پیزوالکتریک تولید می‌شوند. این سنسور سرامیکی پیزوالکتریک دارای دو ویفر پیزوالکتریک و یک صفحه رزونانس می باشد. هنگامی که فرکانس سیگنال پالس خارجی دو سطحی برابر با ویفر پیزوالکتریک ذاتی در فرکانس نوسان باشد، ویفر پیزوالکتریک طنین انداز می شود و صفحه تشدید را به سمت ارتعاش سوق می دهد و در نتیجه امواج اولتراسونیک تولید می کند. هنگامی که صفحه رزونانس امواج اولتراسونیک را دریافت می کند، ویفر پیزوالکتریک را فشار می دهد تا ارتعاش کند و انرژی مکانیکی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کند.

اصل  مبدل محدوده اولتراسونیک  نشان داده شده است. با استفاده از سرعت انتشار شناخته شده v امواج مافوق صوت در هوا، مبدل اولتراسونیک امواج مافوق صوت را به صورت عمودی به سطح مایع ساطع می کند و امواج صوتی در سطح مشترک بین سطح آب و گاز منعکس شده و به مبدل مافوق صوت منتقل می شود و زمان انتشار t ثبت می شود، یعنی از فاصله دریافت سیگنال اولتراسونیک تا فاصله دریافت سیگنال اولتراسونیک e. مبدل و سطح مایع L=0.5vt، و سپس سطح مایع واقعی است:

S=HL=H-0.5vt(1)

 

عوامل و راه حل های اندازه گیری تاثیر گذار

بر اساس فرمول (1)، عوامل اصلی که بر دقت دامنه اولتراسونیک تأثیر می‌گذارند، سرعت انتشار اولتراسونیک و زمان انتشار اولتراسونیک است. علاوه بر این، فرکانس های اولتراسونیک نیز وجود دارند که بر دامنه و دقت اندازه گیری تأثیر می گذارند. در اینجا زمان انتشار مورد مطالعه و بحث قرار نمی گیرد، تنها خطاهای دو جنبه دیگر بررسی و تحلیل می شود و راه حل های معقولی ارائه می شود.

 

سرعت انتشار اولتراسونیک

بیشتر متون پیشنهاد می کنند از روش تصحیح دما برای جبران سرعت صوت استفاده شود و فرمول سرعت انتشار v=331.5+0.607T است که در آن T دما (℃) است. سپس یک روش جبران دوگانه دما و رطوبت پیشنهاد شد و فرمول سرعت انتشار به صورت زیر است:

در میان آنها pw فشار جزئی بخار آب، p فشار اتمسفر، T0 دمای مطلق، t دمای هوا اندازه گیری شده و v سرعت موج اولتراسونیک پس از جبران است. نویسنده معتقد است که هوای واقعی کاملاً خشک نیست و میانگین جرم مولی و نسبت گرمای ویژه هوا اصلاح شده است. اگرچه این روش تأثیر رطوبت بر سرعت صوت را در نظر می گیرد، اما سرعت انتشار نیز به محیط انتشار، سرعت باد و فشار تحت شرایط واقعی محیطی مرتبط است. عوامل دیگر مرتبط هستند، بنابراین نتایج اندازه گیری هنوز دارای خطاهای زیادی است.

 

بر اساس تأثیر محیط بر سرعت انتشار، برخی از ادبیات یک روش اندازه‌گیری معیار پیشنهاد می‌کنند. اصل استفاده از روش دو کاناله است. یک کانال برای اندازه گیری سرعت انتشار اولتراسونیک استفاده می شود. یک بافل استاندارد با فاصله مشخص در مقابل مبدل اولتراسونیک قرار می گیرد. اندازه گیری  اختلاف زمانی موج اولتراسونیک به بافل برای محاسبه سرعت انتشار موج اولتراسونیک در محیط. کانال دیگر همچنان فاصله را طبق روش اندازه گیری معمولی اندازه گیری می کند. بنابراین، روش نصب بافل استاندارد نشان داده شده پیشنهاد شده است. این روش می تواند به اندازه گیری دقت بالاتری دست یابد و با محیط های پیچیده مختلف سازگار شود. با این حال، الزامات سختگیرانه ای برای نصب بافل های استاندارد وجود دارد. بنابراین، محاسبه مربوطه دو برابر است . نقشه موقعیت نصب مبدل اولتراسونیک پیچیده است، و نامشخص بودن محیط واقعی ممکن است باعث شود که موج اولتراسونیک به بافل برسد و امواج اولتراسونیک بی فایده را از طریق بازتاب های متعدد تولید کند، که بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد. بنابراین، یک مبدل اولتراسونیک دوگانه پیشنهاد می‌شود که .یکی برای اندازه‌گیری سرعت انتشار و دیگری برای اندازه‌گیری زمان انتشار، بدون تأثیر بر یکدیگر استفاده می‌شود. اگرچه این روش پیچیدگی محاسباتی را کاهش می دهد، امواج مافوق صوت بی فایده را حذف می کند و دقت اندازه گیری را بهبود می بخشد، هزینه دو مبدل نسبتاً زیاد است که برای محبوبیت مناسب نیست.

 

بر اساس تحقیقات و تجزیه و تحلیل فوق، این مقاله روشی را برای استفاده از چرخ دنده فرمان برای کنترل جهت یک مبدل اولتراسونیک پیشنهاد می‌کند که نه تنها عوامل مؤثر بر سرعت انتشار را در نظر می‌گیرد، بلکه هزینه را نیز کاهش می‌دهد که برای محبوبیت در زمینه‌های مختلف مفید است. بافل استاندارد به صورت عمودی قرار می گیرد و روی همان خط افقی مبدل اولتراسونیک قرار می گیرد. فاصله بین این دو ثابت و بزرگتر از ناحیه کور مبدل اولتراسونیک است. چرخ دنده فرمان مبدل اولتراسونیک را کنترل می کند در جهت، میکروکامپیوتر تک تراشه دستورالعمل هایی را ارسال می کند تا چرخ دنده فرمان مبدل را به صورت عمودی روی سطح مایع کنترل کند، و امواج اولتراسونیک را برای اندازه گیری زمان انتشار ارسال می کند، سپس مبدل را کنترل می کند تا 90 درجه بچرخد، به سمت بافل استاندارد، امواج اولتراسونیک را اندازه گیری کند.

 

 

فرکانس اولتراسونیک

معادله موج انتشار اولتراسونیک در هوا، که در آن A دامنه دریافتی توسط مبدل اولتراسونیک، A0 دامنه اولیه منتشر شده توسط مبدل اولتراسونیک، x فاصله انتشار موج اولتراسونیک، ω فرکانس زاویه‌ای موج اولتراسونیک، و t است موج اولتراسونیک زمان موج،λ است. ضریب تضعیف اولتراسوند، فرمول α=bf2 است که b ثابت دی الکتریک و f فرکانس اولتراسوند است.

با توجه به رابطه (3) مشاهده می شود که زمانی که فاصله انتشار امواج مافوق صوت در هوا به 0.5α برسد، دامنه امواج مافوق صوت به 1/e از امواج اولیه کاهش می یابد. هرچه فرکانس مافوق صوت بیشتر باشد، تضعیف شدیدتر و برد فاصله قابل تشخیص کوچکتر است، اما هرچه زاویه پخش موج اولتراسونیک ساطع شده کمتر باشد، پرتو نازکتر و جهت گیری بهتری دارد.

استفاده از شکل‌دهی مقایسه‌گر دوگانه را برای تعیین لبه جلویی اکو پیشنهاد می‌کند، اما به دلیل نامشخص بودن محیط اندازه‌گیری واقعی، ممکن است دو آستانه مقایسه‌کننده خیلی کوچک یا خیلی بزرگ تنظیم شوند که منجر به کاهش دقت اندازه‌گیری می‌شود. بر این اساس، این مقاله پیشنهاد می‌کند از تقویت‌کننده بهره قابل برنامه‌ریزی PGA112 برای بهبود دقت در گرفتن لبه جلویی اولین اکو از طریق اصلاحات بهره چندگانه استفاده شود.

طراحی نرم افزار

3.1 ایده های طراحی برنامه و نکات مورد توجه مرتبط

به منظور دستیابی به اندازه گیری سطح مایع با دقت بالا، کار باید توسط نرم افزار تکمیل شود:

(1) سونوگرافی 40 کیلوهرتز تولید کنید.

(2) اندازه گیری زمان انتشار امواج اولتراسونیک.

(3) فرمان چرخ دنده فرمان را برای کنترل جهت انتهای فرستنده و گیرنده مبدل اولتراسونیک کنترل کنید.

(4) سرعت انتشار امواج اولتراسونیک را اندازه گیری کنید.

(5) فرکانس اولتراسونیک مناسب را به عنوان جسم آزمایشی با توجه به فاصله انتخاب کنید.

(6) ارتفاع سطح مایع را محاسبه کنید و اقدامات مربوطه مانند نمایش داده ها را انجام دهید. قطار پالس 40 کیلوهرتز دستگاه توسط نرم افزار تولید می شود. اندازه گیری زمان انتشار و سرعت موج اولتراسونیک و کنترل فرمان دنده فرمان توسط زمان/ شمارنده میکرو کامپیوتر تک تراشه تکمیل می شود.

هنگام نوشتن برنامه سیستم، اتصال سخت افزاری را در نظر بگیرید، اما همچنین تنظیم فضای ذخیره سازی، استفاده از ثبات ها و پین های وقفه خارجی را در نظر بگیرید. علاوه بر این، به دلیل وجود پراش امواج پس از ارتعاش و شکست، دریافت پژواک پس از پایان ارسال امواج مافوق صوت برای پردازش متناظر مدتی طول می کشد.

جریان برنامه اصلی

این سیستم از برنامه ریزی مدولار، از جمله ماژول برنامه اصلی، ماژول اندازه گیری زمان انتشار اولتراسونیک، ماژول فرمان دنده فرمان، ماژول اندازه گیری سرعت انتشار اولتراسونیک، ماژول محاسبه سطح مایع، نمایش داده ها و سایر موارد مربوطه استفاده می کند. سنسور فاصله ماژول التراسونیک . پس از راه اندازی سیستم، از دستور while(1) برای رسیدن به حلقه بی نهایت زیر استفاده کنید: ابتدا ماژول اندازه گیری زمان انتشار اولتراسونیک را فراخوانی کنید، و همزمان اولتراسونیک را ارسال کنید، شمارنده را برای شروع زمان بندی روشن کنید و وقفه خارجی را خاموش کنید. 1 میلی ثانیه تأخیر بیاندازید، سپس وقفه خارجی را روشن کنید و منتظر اکو باشید. هنگامی که اکو تشخیص داده شد، تایمر را در برنامه وقفه خارجی متوقف کنید، مقدار تایمر را ذخیره کنید و پرچم دریافت اکو روی 1 تنظیم می شود. سپس ماژول فرمان چرخ دنده فرمان را فراخوانی کنید، شمارنده را برای شروع زمان بندی روشن کنید و موقعیت 1 را کنترل کنید، زمانی که عرض پالس بیشتر از 2.5 میلی ثانیه است، موقعیت کنترل 0. هنگامی که شمارش به 3 میلی ثانیه رسید، شمارنده پاک می شود تا چرخ دنده فرمان 90 درجه شود. سپس ماژول اندازه گیری سرعت انتشار اولتراسونیک را فراخوانی کنید و سرعت صوت را از طریق فاصله ثابت بافل استاندارد محاسبه کنید. در ماژول فرمان دنده فرمان، عرض پالس را روی 1.5 میلی ثانیه تنظیم کنید تا چرخ دنده فرمان روی 0 درجه بچرخد. در نهایت، میکروکنترلر برنامه محاسبه سطح مایع را فراخوانی می کند و اقدامات مربوطه مانند نمایش داده ها را انجام می دهد.

نتایج تجربی و تجزیه و تحلیل

این سیستم نرم افزار را روی میکروکامپیوتر تک تراشه STC12C5A60S2 جامد می کند. به منظور بررسی اثر اندازه‌گیری سیستم اندازه‌گیری سطح مایع اولتراسونیک، یک مخزن آب با دبی نسبتاً پایدار در فضای باز برای اندازه‌گیری انتخاب شد و با کنترل شیر، سطح آب تغییر کرد. این سیستم در فاصله 7 متری از پایین مخزن نصب شده بود. روش گرفتن میانگین 3 اندازه گیری برای کاهش خطای تصادفی سیستم اتخاذ شده است.

نتایج اندازه گیری از با مبدل فاصله اولتراسونیک داده‌های اندازه‌گیری گیج آب، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، مقایسه می‌شود. با توجه به اندازه‌گیری تجربی و تجزیه و تحلیل خطا، سیستم دارای ناحیه کور اندازه‌گیری 30 میلی‌متر است و خطای اندازه‌گیری اساساً در 0.4٪ کنترل می‌شود و محدوده با دقت بالا به دست می‌آید، که می‌تواند نیازهای اندازه‌گیری در صنعت و کشاورزی را برآورده کند.

سخنان پایانی

در سیستم اندازه گیری سطح مایع اولتراسونیک، بر اساس تجزیه و تحلیل کامل علل ، حسگر مبدل التراسونیک برای اندازه گیری سرعت انتشار اولتراسونیک، با توجه به تأثیر عوامل محیطی و در نظر گرفتن مسائل هزینه، پیشنهاد می شود از یک چرخ دنده فرمان برای کنترل جهت مبدل اولتراسونیک استفاده شود تا به روش اصلاح جبران بافل که صرفه جویی در هزینه ها، ساده سازی طراحی و در نظر گرفتن کامل روش های نامربوط در ادبیات سطح فنی و عوامل تاثیر بر محیط زیست اشاره شده است، استفاده شود. اندازه گیری برای ضبط دقیق اولین لبه جلویی اکو اولتراسونیک، یک روش قابل برنامه ریزی افزایش برای بهبود گرفتن اولین لبه جلویی اکو، در نتیجه بهبود دقت محدوده اتخاذ شده است. در کاربردهای صنعتی و کشاورزی با موضوع صرفه جویی در انرژی، حفاظت از محیط زیست و سادگی، این روش بهبود یافته با مزایای منحصر به فرد خود به ایده جدیدی برای اندازه گیری سطح اولتراسونیک تبدیل شده است.