Ultraäänietäisyyden mittauksen periaate ja korkean tarkkuuden nestetason mittausjärjestelmä

Ultraäänietäisyysmittausanturilla  .  on useita etuja, mutta mittaustarkkuuteen vaikuttavat monet tekijät, joten suurempaa tarkkuutta on vaikea saavuttaa Ultraäänietäisyysmittauksen periaatteeseen perustuen  ultraäänianturi  on yksittäinen lämpötilan ja kosteuden kompensointiohjelma, jolla ei voida saavuttaa suurta tarkkuutta etäisyysmittauksessa muuttuvassa ja ankarassa ympäristössä, ja standardinmukainen ohjauslevyn kompensointiohjelma kahdelle ultraääniantureille .Kustannukset ovat korkeat, eikä niitä voida soveltaa laajasti eri alojen vioihin. Yksi standardi ohjauslevyn  kompensointijärjestelmä p ietsosähköinen u ltrasonic  s-anturi  on suunniteltu ohjaamaan ultraäänianturin suuntaa ohjauspyörän avulla. Vastauksena vaatimukseen, että ensimmäistä kaikurintamaa ei voida siepata tarkasti, ohjelmoitavaa vahvistusvahvistinta ehdotetaan kaappaamaan kaiun paluurintama eri etäisyyksillä. Kokeilutulokset osoittavat, että 7 m:n alueella, kun ilmaa käytetään etenemisväliaineena ja heijastavana pinnana on vettä, jolla on hyvät emissioominaisuudet, mittausvirhe pysyy 0,4 %:n sisällä. Tällä parannetulla menetelmällä voidaan saavuttaa alhaiset kustannukset ankarissa ja vaihtelevissa olosuhteissa.

 

esittely

Tällä hetkellä nestepinnan tason mittaamiseen on monia menetelmiä, kuten kelluntatason mittaus, tulopaineavusteinen tasonmittaus, mikroaaltotutkatason mittaus, infrapunatason mittaus, lasertason mittaus ja ultraäänitason mittaus. Niistä paineanturia  edustaa  kosketusmittaus , joka saastuu, kun sitä käytetään kohtauksissa, kuten raskaassa sedimentissä, ja aiheuttaa sitten suuria virheitä. Kosketuksettomissa etäisyysmittausjärjestelmissä mikroaaltotutkan nestetason mittaus on teknisesti vaikeaa ja kallista; Nesteen pinnan infrapunamittaus on edullinen ja helppo toteuttaa, mutta sillä on huono suuntaavuus ja alhainen tarkkuus; Ultraäänitason mittaus voidaan tehdä koskettamatta nesteen pintaa , mikä  välttää nesteen saastumisen ja korroosion vaikutuksen mittauslaitteisiin, mutta se  ei ole alttiina valolle, savulle, sähkömagneettisille häiriöille, ja sen etuna on korkea resoluutio, yksinkertainen järjestelmärakenne, kätevä asennus ja alhaiset kustannukset.

Ultraäänietäisyysmittausmenetelmät sisältävät pääasiassa vaiheenilmaisumenetelmän, akustisen aallon amplitudin tunnistusmenetelmän ja siirtoajan ilmaisumenetelmän. Vaikka vaiheentunnistusmenetelmällä on suuri tarkkuus, mittausalue on rajoitettu, joten sitä käytetään vähemmän; akustisen aallon amplitudin ilmaisumenetelmällä on alhainen tarkkuus ja heijastuneet aallot vaikuttavat siihen helposti; kun taas siirtoaikamenetelmä on kahden ensimmäisen menetelmän välissä, suuremmalla tarkkuudella ja mittauksella Sillä on laaja valikoima ja sitä käytetään laajalti.

Käytännön sovelluksissa mittausjärjestelmän suunnittelulla on suuri vaikutus mittaustarkkuuteen. Siksi ultraäänietäisyysmittauksen toimintaperiaatteen ja prosessin analysointi, mittausmenetelmien ja -menetelmien parantaminen sekä ultraäänietäisyysanturin tarkkuuden parantaminen on herättänyt yhä enemmän huomiota. Mittausjärjestelmän erityisympäristön mukaan menetelmä tarkkuuden parantamiseksi on hieman erilainen. Tässä artikkelissa keskitytään ulkoisen ympäristön vaikutuksen vähentämiseen, ultraäänianturin valinta yhdistetään tietyn järjestelmän toteuttamiseen ultraäänitason mittauksen tarkkuuden parantamiseksi.

 

periaate Äänentoiston ​ ​​

Etäisyyden mittaamiseen käytettävät ultraääniaallot syntyvät yleensä pietsosähköisen keramiikan pietsosähköisestä vaikutuksesta. Tässä pietsosähköisessä keraamisessa anturissa on kaksi pietsosähköistä kiekkoa ja resonanssilevy. Kun kaksitasoisen ulkoisen pulssisignaalin taajuus on yhtä suuri kuin luontainen pietsosähköinen kiekko. Värähtelytaajuudella pietsosähköinen kiekko resonoi ja saa resonanssilevyn värähtelemään, jolloin syntyy ultraääniaaltoja; Kun resonanssilevy vastaanottaa ultraääniaaltoja, se painaa pietsosähköistä kiekkoa värähtelemään ja muuttamaan mekaanisen energian sähköisiksi signaaleiksi.

periaate  Ultraäänietäisyysanturin  on esitetty. Ultraäänianturi lähettää ultraääniaaltojen ilmassa tunnettua etenemisnopeutta v käyttäen pystysuunnassa nesteen pintaan, ja ääniaallot heijastuvat veden pinnan ja kaasun rajapinnalta ja välittyvät takaisin ultraäänianturiin, ja etenemisaika t rekisteröidään, eli aika nesteen lähettämisestä ultraäänisignaalin ja ultraäänietäisyyden vastaanottamisesta transduktoritason välillä. L = 0,5 Vt, ja sitten todellinen nestepinta on:

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

 

Vaikuttavat mittaustekijät ja ratkaisut

Kaavan (1) mukaan tärkeimmät ultraäänietäisyyden tarkkuuteen vaikuttavat tekijät ovat ultraäänen etenemisnopeus ja ultraäänen etenemisaika. Lisäksi on ultraäänitaajuuksia, jotka vaikuttavat mittausalueeseen ja -tarkkuuteen. Tässä etenemisaikaa ei tutkita ja keskustella, vain tutkitaan ja analysoidaan kahden muun näkökohdan virheitä ja ehdotetaan järkeviä ratkaisuja.

 

Ultraäänen etenemisnopeus

Suurin osa kirjallisuudesta ehdottaa lämpötilan korjausmenetelmää äänen nopeuden kompensoimiseksi, ja etenemisnopeuskaava on v=331,5+0,607T, jossa T on lämpötila (℃). Sitten ehdotettiin lämpötilan ja kosteuden kaksoiskompensointimenetelmää, ja etenemisnopeuden kaava on:

Niistä pw on vesihöyryn osapaine, p on ilmakehän paine, T0 on absoluuttinen lämpötila, t on mitattu ilman lämpötila ja v on ultraääniaallon nopeus kompensoinnin jälkeen. Kirjoittaja uskoo, että todellinen ilma ei ole täysin kuiva, ja ilman keskimääräinen moolimassa ja ominaislämpösuhde korjataan. Vaikka tämä menetelmä ottaa huomioon kosteuden vaikutuksen äänen nopeuteen, etenemisnopeus liittyy myös etenemisväliaineeseen, tuulen nopeuteen ja paineeseen todellisissa ympäristöolosuhteissa. Muut tekijät liittyvät toisiinsa, joten mittaustuloksissa on edelleen suuria virheitä.

 

Jossain kirjallisuudessa esitetään vertailumittausmenetelmää ympäristön vaikutuksen etenemisnopeuteen perusteella. Periaatteena on käyttää kaksikanavaista menetelmää. Yhtä kanavaa käytetään ultraäänen etenemisnopeuden mittaamiseen. Ultraäänianturin eteen sijoitetaan vakiolevy, jonka etäisyys tunnetaan. Mitataan ;  välilevyyn saapuvan ultraääniaallon aikaero ultraääniaallon etenemisnopeuden laskemiseksi ympäristössä toinen kanava mittaa edelleen etäisyyttä normaalin mittausmenetelmän mukaisesti. Siksi ehdotetaan esitettyä vakiolevyn asennusmenetelmää. Tällä menetelmällä voidaan saavuttaa suurempi mittaustarkkuus ja mukautua erilaisiin monimutkaisiin ympäristöihin. Vakiolevyjen asennukselle on kuitenkin asetettu tiukat vaatimukset. Siksi vastaava laskelma on kaksinkertainen . Ultraäänianturin asennuspaikkakartta on monimutkainen ja todellisen ympäristön epävarmuus saattaa saada ultraääniaallon saavuttamaan ohjauslevyn tuottamaan turhia ultraääniaaltoja useiden heijastusten kautta, mikä vaikuttaa mittaustarkkuuteen. Siksi ehdotetaan kahta ultraäänianturia. .Toista käytetään etenemisnopeuden mittaamiseen ja toista etenemisajan mittaamiseen vaikuttamatta toisiinsa. Vaikka tämä menetelmä vähentää laskennan monimutkaisuutta, eliminoi turhat ultraääniaallot ja parantaa mittaustarkkuutta, kahden muuntimen kustannukset ovat suhteellisen suuret, mikä ei edistä yleistämistä.

 

Yllä olevaan tutkimukseen ja analyysiin perustuen tässä artikkelissa ehdotetaan menetelmää ohjauspyörän käyttämiseksi yksittäisen ultraäänianturin suunnan ohjaamiseen, joka ei vain ota huomioon etenemisnopeuteen vaikuttavat tekijät, vaan myös alentaa kustannuksia, mikä on hyödyllistä popularisoinnissa eri aloilla. vakiolevy asetetaan pystysuoraan ja samalle vaakaviivalle kuin ultraäänianturi. Näiden kahden välinen etäisyys on kiinteä ja suurempi kuin ultraäänianturin sokea alue; ohjausvaihde ohjaa ultraäänianturia Suuntaan yksisiruinen mikrotietokone lähettää käskyt saada ohjausvaihde ohjaamaan anturia kohtisuoraan nesteen pintaan ja lähettämään ultraääniaaltoja mittaamaan etenemisaikaa, ohjaamaan sitten anturia kääntymään 90°, suuntaamaan standardilevyyn pystysuoraan ja lähettämään ultraäänen etenemisnopeuden.

 

 

Ultraäänitaajuus

Ultraäänen ilmassa etenemisen aaltoyhtälö, jossa A on ultraäänianturin vastaanottama amplitudi, A0 on ultraäänianturin lähettämä alkuamplitudi, x on ultraääniaallon etenemisetäisyys, ω on ultraääniaallon kulmataajuus ja t on ultraääniaallon aalto, aalto λ on etenemisaika, aalto λ on etenemisaika. ultraäänen vaimennuskerroin, kaava on α=bf2, missä b on dielektrisyysvakio ja f on ultraäänen taajuus.

Yhtälön (3) mukaan voidaan nähdä, että kun ultraääniaaltojen etenemisetäisyys ilmassa saavuttaa arvon 0,5α, ultraääniaaltojen amplitudi vaimenee 1/e alkuperäisestä. Mitä korkeampi ultraäänitaajuus, sitä voimakkaampi vaimennus ja pienempi havaittava etäisyysalue, mutta mitä pienempi on lähetetyn ultraääniaallon leviämiskulma, sitä ohuempi on säde ja sitä parempi suuntaavuus.

ehdottaa kahden komparaattorin muotoilun käyttöä kaiun etureunan määrittämiseen, mutta todellisen mittausympäristön epävarmuuden vuoksi vertailijan kaksi kynnysarvoa voidaan asettaa liian pieneksi tai liian suureksi, mikä heikentää mittaustarkkuutta. Tämän perusteella tässä artikkelissa ehdotetaan ohjelmoitavan vahvistusvahvistimen PGA112 käyttöä parantamaan ensimmäisen kaiun etureunan sieppauksen tarkkuutta useiden vahvistuskorjausten avulla.

ohjelmistosuunnittelu

3.1 Ohjelmasuunnitteluideat ja niihin liittyvät huomiopisteet

Korkean tarkkuuden nestepinnan mittauksen saavuttamiseksi ohjelmiston suorittama työ:

(1) Luo 40 kHz:n ultraääni;

(2) Ultraääniaaltojen etenemisajan mittaaminen;

(3) Ohjaa ohjauslaitteen ohjausta ultraäänianturin lähetys- ja vastaanottopäiden suunnan ohjaamiseksi;

(4) Mittaa ultraääniaaltojen etenemisnopeus;

(5) Valitse sopiva ultraäänitaajuus testikohteeksi etäisyyden mukaan;

(6) Laske nestepinnan korkeus ja suorita vastaavat toimenpiteet, kuten tietojen näyttö. Laitteen 40 kHz:n pulssijono generoidaan ohjelmistolla; ultraääniaallon etenemisajan ja nopeuden mittaaminen sekä ohjauspyörän ohjauksen hallinta suoritetaan yksisiruisen mikrotietokoneen ajastuksella/laskurilla.

Kun kirjoitat järjestelmäohjelmaa, harkitse laitteistoliitäntää, mutta harkitse myös tallennustilan asettamista, rekistereiden ja ulkoisten keskeytysnastojen käyttöä. Lisäksi jälkivärähtelyn ja taittuneen aallon diffraktion olemassaolon vuoksi kaiun vastaanottaminen kestää jonkin aikaa ultraääniaaltojen lähetyksen päätyttyä vastaavaa käsittelyä varten.

Ohjelman pääkulku

Järjestelmä käyttää modulaarista ohjelmointia, mukaan lukien pääohjelmamoduuli, ultraäänen etenemisajan mittausmoduuli, ohjauslaitteen ohjausmoduuli, ultraäänen etenemisnopeuden mittausmoduuli, nestetason laskentamoduuli, datanäyttö ja muut vastaavat u ltrasonic-moduulin etäisyysanturi . Kun järjestelmä on alustettu, käytä while(1)-käskyä saavuttaaksesi seuraavan äärettömän silmukan: kutsu ensin ultraäänen etenemisajan mittausmoduuli ja lähetä samalla ultraääni, käynnistä laskuri käynnistääksesi ajoituksen ja sammuta ulkoinen keskeytys. Viive 1 ms, kytke sitten päälle ulkoinen keskeytys ja odota kaikua. Kun kaiku havaitaan, pysäytä ajastin ulkoisessa keskeytysohjelmassa, tallenna ajastimen arvo ja kaiun vastaanottolippu asetetaan arvoon 1. Soita sitten ohjauspyörän ohjausmoduuliin, käynnistä laskuri käynnistääksesi ajastuksen ja ohjausasento 1, kun pulssin leveys on suurempi kuin 2,5 ms, ohjausasento 0; kun lukema saavuttaa 3 ms, laskuri tyhjennetään, jolloin ohjausvaihde kääntyy 90°. Kutsu sitten ultraäänen etenemisnopeuden mittausmoduuli ja laske äänen nopeus vakiolevyn kiinteän etäisyyden kautta. Säädä ohjauspyörän ohjausmoduulissa pulssin leveydeksi 1,5 ms, jotta ohjausvaihde kääntyy 0°:een. Lopuksi mikro-ohjain kutsuu nestetason laskentaohjelman ja suorittaa vastaavat toiminnot, kuten tietojen näyttämisen.

Kokeelliset tulokset ja analyysit

Tämä järjestelmä vahvistaa ohjelmiston STC12C5A60S2 yksisiruiseen mikrotietokoneeseen. Ultraääni-nesteen pinnankorkeuden mittausjärjestelmän mittausvaikutuksen todentamiseksi valittiin mittaukseen ulkotiloihin suhteellisen vakaalla virtaavalla vesisäiliö ja veden tasoa muutettiin venttiiliä ohjaamalla. Järjestelmä asennettiin 7 metrin päähän säiliön pohjasta. Menetelmä ottaa 3 mittauksen keskiarvo on otettu käyttöön vähentämään järjestelmän satunnaisvirhettä.

Mittaustulokset ​ u ltraäänietäisyysanturia verrataan vesimittarin mittaustietoihin taulukon 1 mukaisesti. Kokeellisen mittauksen ja virheanalyysin mukaan järjestelmän mittaussokea vyöhyke on 30 mm ja mittausvirhe on periaatteessa 0,4 %, mikä saavuttaa korkean tarkkuuden, joka pystyy vastaamaan teollisuus- ja maataloustuotannon mittaustarpeisiin.

Loppuhuomautukset

Ultraääni nestetason mittausjärjestelmä, joka perustuu täydelliseen analyysiin syistä Ultraäänianturi anturi ultraäänen etenemisnopeuden mittaamiseen, ympäristötekijöiden vaikutuksen ja kustannuskysymysten huomioon ottamiseksi, on ehdotettu käytettäväksi ohjauslaitetta ultraäänianturin suunnan ohjaamiseen, jotta saavutettaisiin kustannuksia säästävä, suunnittelua yksinkertaistava ja täysin huomioiva ympäristövaikutustekijät, joita ei ole kirjallisuudessa mainittu menetelmä ja tekniset keinot. Ensimmäisen ultraäänikaiun etureunan tarkkaan sieppaamiseen käytetään vahvistuksen ohjelmoitavaa menetelmää, joka parantaa ensimmäisen kaiun etureunan sieppausta, mikä parantaa etäisyyden tarkkuutta. Teollisuuden ja maatalouden sovelluksissa, joiden teemana on energiansäästö, ympäristönsuojelu ja yksinkertaisuus, tästä parannetusta menetelmästä on tullut uusi ultraäänitason mittausidea ainutlaatuisine etuineen.