अल्ट्रासोनिक दूरी माप और उच्च परिशुद्धता तरल स्तर माप प्रणाली का सिद्धांत

अल्ट्रासोनिक दूरी माप  सेंसर के  कई फायदे हैं, लेकिन ऐसे कई कारक हैं जो माप सटीकता को प्रभावित करते हैं, इसलिए उच्च सटीकता प्राप्त करना मुश्किल है। अल्ट्रासोनिक दूरी माप के सिद्धांत के आधार पर,  अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर का तापमान और आर्द्रता मुआवजा कार्यक्रम  एकल है, जो परिवर्तनशील और कठोर वातावरण में उच्च-सटीक दूरी माप प्राप्त नहीं कर सकता है, और दोहरे अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के लिए एक मानक बाफ़ल मुआवजा कार्यक्रम की .लागत अधिक है और इसे विभिन्न क्षेत्रों में दोषों के लिए व्यापक रूप से लागू नहीं किया जा सकता है। एक एकल मानक बाफ़ल मुआवज़ा योजना की p iezoelectric u ltrasonic  sensor को  डिज़ाइन किया गया है जो अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर की दिशा को नियंत्रित करने के लिए स्टीयरिंग गियर का उपयोग करता है। इस आवश्यकता के जवाब में कि पहले इको फ्रंट को सटीक रूप से कैप्चर नहीं किया जा सकता है, अलग-अलग दूरी पर इको के रिटर्न फ्रंट को कैप्चर करने के लिए एक प्रोग्रामेबल गेन एम्पलीफायर का प्रस्ताव किया गया है। प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि 7 मीटर की सीमा में, जब हवा को प्रसार माध्यम के रूप में उपयोग किया जाता है और परावर्तक सतह अच्छे उत्सर्जन गुणों वाला पानी होती है, तो माप त्रुटि 0.4% के भीतर नियंत्रित होती है। यह उन्नत विधि कठोर और परिवर्तनशील वातावरण में कम लागत में लक्ष्य हासिल कर सकती है।

 

परिचय

वर्तमान में, तरल स्तर माप की कई विधियाँ हैं, जैसे फ्लोट स्तर माप, इनपुट दबाव-सहायता स्तर माप, माइक्रोवेव रडार स्तर माप, अवरक्त स्तर माप, लेजर स्तर माप और अल्ट्रासोनिक स्तर माप। उनमें से, दबाव सेंसर को  है  संपर्क माप द्वारा दर्शाया जाता , जो भारी तलछट जैसे दृश्यों में उपयोग किए जाने पर दूषित हो जाएगा, और फिर बड़ी त्रुटियों का कारण बनेगा। गैर-संपर्क रेंजिंग प्रणालियों के लिए, माइक्रोवेव रडार तरल स्तर माप तकनीकी रूप से कठिन और महंगा है; अवरक्त तरल स्तर माप की लागत कम है और इसे लागू करना आसान है, लेकिन इसमें खराब दिशा और कम सटीकता है; जबकि अल्ट्रासोनिक तरल स्तर माप किया जा सकता है बिना तरल सतह से संपर्क किए , जो  मापने वाले उपकरणों पर तरल प्रदूषण और जंग के प्रभाव से बचाता है, यह  प्रकाश, धुआं, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के अधीन नहीं है, और इसमें उच्च रिज़ॉल्यूशन, सरल सिस्टम संरचना, सुविधाजनक स्थापना और कम लागत के फायदे हैं।

अल्ट्रासोनिक रेंजिंग विधियों में मुख्य रूप से चरण पहचान विधि, ध्वनिक तरंग आयाम पहचान विधि और पारगमन समय पहचान विधि शामिल हैं। यद्यपि चरण पहचान विधि में उच्च सटीकता है, माप सीमा सीमित है, इसलिए इसे कम लागू किया जाता है; ध्वनिक तरंग आयाम का पता लगाने की विधि में कम सटीकता होती है और परावर्तित तरंगों से आसानी से प्रभावित होती है; जबकि पारगमन समय विधि पहले दो तरीकों के बीच है, उच्च सटीकता और माप के साथ इसकी एक विस्तृत श्रृंखला है और इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, रेंजिंग सिस्टम के डिज़ाइन का रेंजिंग सटीकता पर बहुत प्रभाव पड़ता है। इसलिए, अल्ट्रासोनिक रेंजिंग के कार्य सिद्धांत और प्रक्रिया का विश्लेषण, रेंजिंग के तरीकों और तरीकों में सुधार, और अल्ट्रासोनिक रेंजिंग ट्रांसड्यूसर की सटीकता में सुधार ने अधिक से अधिक ध्यान आकर्षित किया है। रेंजिंग सिस्टम के विशिष्ट वातावरण के अनुसार, सटीकता में सुधार करने की विधि थोड़ी भिन्न होती है। यह लेख बाहरी वातावरण के प्रभाव को कम करने पर केंद्रित है, अल्ट्रासोनिक स्तर माप की सटीकता में सुधार करने के लिए, अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर की पसंद को विशिष्ट प्रणाली की प्राप्ति के साथ जोड़ा जाता है।

 

का सिद्धांत यू अल्ट्रासोनिक आर एंजिंग

दूरी माप के लिए उपयोग की जाने वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें आमतौर पर पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव से उत्पन्न होती हैं। इस पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सेंसर में दो पीजोइलेक्ट्रिक वेफर्स और एक अनुनाद प्लेट है। जब दो-स्तरीय बाहरी पल्स सिग्नल की आवृत्ति अंतर्निहित पीजोइलेक्ट्रिक वेफर के बराबर होती है, तो दोलन आवृत्ति पर, पीजोइलेक्ट्रिक वेफर प्रतिध्वनित होगा और अनुनाद प्लेट को कंपन करने के लिए चलाएगा, जिससे अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न होंगी; जब अनुनाद प्लेट अल्ट्रासोनिक तरंगें प्राप्त करती है, तो यह कंपन करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक वेफर पर दबाव डालेगी और यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करेगी।

अल्ट्रासोनिक रेंजिंग का सिद्धांत  ट्रांसड्यूसर  दिखाया गया है। हवा में अल्ट्रासोनिक तरंगों के ज्ञात प्रसार वेग v का उपयोग करते हुए, अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर तरल सतह पर लंबवत रूप से अल्ट्रासोनिक तरंगों का उत्सर्जन करता है, और ध्वनि तरंगें पानी की सतह और गैस के बीच इंटरफेस पर परिलक्षित होती हैं और वापस अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर में संचारित होती हैं, और प्रसार समय टी दर्ज किया जाता है, अर्थात, अल्ट्रासोनिक सिग्नल को प्रसारित करने से लेकर अल्ट्रासोनिक इको सिग्नल प्राप्त करने तक के समय से, ट्रांसड्यूसर और तरल स्तर के बीच की दूरी L=0.5vt, और फिर वास्तविक तरल स्तर है:

एस=एचएल=एच-0.5vt(1)

 

माप कारकों और समाधानों को प्रभावित करना

सूत्र (1) के अनुसार, अल्ट्रासोनिक रेंजिंग की सटीकता को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक अल्ट्रासोनिक प्रसार गति और अल्ट्रासोनिक प्रसार समय हैं। इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक आवृत्तियाँ हैं जो माप सीमा और सटीकता को प्रभावित करती हैं। यहां, प्रसार समय का अध्ययन और चर्चा नहीं की जाती है, केवल अन्य दो पहलुओं में त्रुटियों का अध्ययन और विश्लेषण किया जाता है, और उचित समाधान प्रस्तावित किए जाते हैं।

 

अल्ट्रासोनिक प्रसार वेग

अधिकांश साहित्य ध्वनि की गति की भरपाई के लिए तापमान सुधार विधि का उपयोग करने का प्रस्ताव करते हैं, और प्रसार गति सूत्र v=331.5+0.607T है, जहां T तापमान (℃) है। फिर, एक तापमान और आर्द्रता दोहरी क्षतिपूर्ति विधि प्रस्तावित की गई, और प्रसार गति सूत्र है:

उनमें से, pw जल वाष्प का आंशिक दबाव है, p वायुमंडलीय दबाव है, T0 पूर्ण तापमान है, t मापा वायु तापमान है, और v मुआवजे के बाद अल्ट्रासोनिक तरंग वेग है। लेखक का मानना ​​है कि वास्तविक हवा पूरी तरह से शुष्क नहीं है, और हवा का औसत दाढ़ द्रव्यमान और विशिष्ट ताप अनुपात सही है। यद्यपि यह विधि ध्वनि की गति पर आर्द्रता के प्रभाव को ध्यान में रखती है, प्रसार गति वास्तविक पर्यावरणीय परिस्थितियों में प्रसार माध्यम, हवा की गति और दबाव से भी संबंधित होती है। अन्य कारक संबंधित हैं, इसलिए माप परिणामों में अभी भी बड़ी त्रुटियां हैं।

 

प्रसार गति पर पर्यावरण के प्रभाव के आधार पर, कुछ साहित्य एक बेंचमार्क माप पद्धति का प्रस्ताव करते हैं। सिद्धांत दो-चैनल विधि का उपयोग करना है। अल्ट्रासोनिक प्रसार गति को मापने के लिए एक चैनल का उपयोग किया जाता है। ज्ञात दूरी वाला एक मानक बाफ़ल अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के सामने रखा जाता है। मापना ; को  पर्यावरण में अल्ट्रासोनिक तरंग के प्रसार की गति की गणना करने के लिए बैफल तक पहुंचने वाले अल्ट्रासोनिक तरंग के समय अंतर दूसरा चैनल अभी भी सामान्य माप पद्धति के अनुसार दूरी मापता है। इसलिए, दिखाई गई मानक बाफ़ल स्थापना विधि प्रस्तावित है। यह विधि उच्च सटीकता माप प्राप्त कर सकती है और विभिन्न जटिल वातावरणों के अनुकूल हो सकती है। हालाँकि, मानक बैफल्स की स्थापना के लिए सख्त आवश्यकताएँ हैं। इसलिए, संबंधित गणना दोगुनी है । अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर की स्थापना स्थिति मानचित्र जटिल है, और वास्तविक वातावरण की अनिश्चितता के कारण अल्ट्रासोनिक तरंग कई प्रतिबिंबों के माध्यम से बेकार अल्ट्रासोनिक तरंगों का उत्पादन करने के लिए बाधा तक पहुंच सकती है, जो माप सटीकता को प्रभावित करती है। इसलिए, एक दोहरे अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर का प्रस्ताव है। .एक का उपयोग प्रसार गति को मापने के लिए किया जाता है, और दूसरे का उपयोग एक दूसरे को प्रभावित किए बिना, प्रसार समय को मापने के लिए किया जाता है। यद्यपि यह विधि कम्प्यूटेशनल जटिलता को कम करती है, बेकार अल्ट्रासोनिक तरंगों को समाप्त करती है, और माप सटीकता में सुधार करती है, दो ट्रांसड्यूसर की लागत अपेक्षाकृत बड़ी है, जो लोकप्रियकरण के लिए अनुकूल नहीं है।

 

उपरोक्त शोध और विश्लेषण के आधार पर, यह पेपर एकल अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर की दिशा को नियंत्रित करने के लिए स्टीयरिंग गियर का उपयोग करने की एक विधि का प्रस्ताव करता है, जो न केवल प्रसार गति को प्रभावित करने वाले कारकों को ध्यान में रखता है, बल्कि लागत को भी कम करता है, जो विभिन्न क्षेत्रों में लोकप्रिय बनाने के लिए फायदेमंद है। मानक बाफ़ल को लंबवत रखा जाता है और अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के समान क्षैतिज रेखा पर रखा जाता है। दोनों के बीच की दूरी निश्चित है और अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के ब्लाइंड ज़ोन से अधिक है; स्टीयरिंग गियर दिशा में अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर को नियंत्रित करता है, सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर स्टीयरिंग गियर को तरल सतह का लंबवत सामना करने के लिए ट्रांसड्यूसर को नियंत्रित करने के लिए निर्देश भेजता है, और प्रसार समय को मापने के लिए अल्ट्रासोनिक तरंगें भेजता है, फिर ट्रांसड्यूसर को 90 डिग्री घुमाने के लिए नियंत्रित करता है, मानक बाफ़ल का लंबवत सामना करता है, और प्रसार गति को मापने के लिए अल्ट्रासोनिक तरंगें भेजता है।

 

 

अल्ट्रासोनिक आवृत्ति

हवा में अल्ट्रासोनिक प्रसार का तरंग समीकरण, जहां A अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर द्वारा प्राप्त आयाम है, A0 अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर द्वारा उत्सर्जित प्रारंभिक आयाम है, x अल्ट्रासोनिक तरंग की प्रसार दूरी है, ω अल्ट्रासोनिक तरंग की कोणीय आवृत्ति है, और t अल्ट्रासोनिक तरंग प्रसार समय है, λ अल्ट्रासाउंड की तरंग दैर्ध्य है, α अल्ट्रासाउंड का क्षीणन गुणांक है, सूत्र α=bf2 है, जहां b ढांकता हुआ स्थिरांक है और f अल्ट्रासाउंड की आवृत्ति है।

समीकरण (3) के अनुसार, यह देखा जा सकता है कि जब हवा में अल्ट्रासोनिक तरंगों की प्रसार दूरी 0.5α तक पहुंच जाती है, तो अल्ट्रासोनिक तरंगों का आयाम मूल के 1/e तक कम हो जाता है। अल्ट्रासोनिक आवृत्ति जितनी अधिक होगी, क्षीणन उतना ही गंभीर होगा और पता लगाने योग्य दूरी सीमा उतनी ही छोटी होगी, लेकिन उत्सर्जित अल्ट्रासोनिक तरंग का प्रसार कोण जितना छोटा होगा, किरण उतनी ही पतली होगी और दिशा उतनी ही बेहतर होगी।

प्रतिध्वनि के सामने के किनारे को निर्धारित करने के लिए दोहरे तुलनित्र आकार के उपयोग का प्रस्ताव है, लेकिन वास्तविक माप वातावरण की अनिश्चितता के कारण, दो तुलनित्र थ्रेशोल्ड को बहुत छोटा या बहुत बड़ा सेट किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप माप सटीकता कम हो जाती है। इसके आधार पर, यह लेख एकाधिक लाभ सुधारों के माध्यम से पहली प्रतिध्वनि के सामने के किनारे को कैप्चर करने की सटीकता में सुधार करने के लिए प्रोग्रामेबल गेन एम्पलीफायर PGA112 का उपयोग करने का प्रस्ताव करता है।

सॉफ्टवेयर डिजाइन

3.1 कार्यक्रम डिजाइन विचार और ध्यान के संबंधित बिंदु

उच्च परिशुद्धता तरल स्तर माप प्राप्त करने के लिए, सॉफ्टवेयर द्वारा पूरा किया जाने वाला कार्य:

(1) 40 kHz अल्ट्रासाउंड उत्पन्न करें;

(2) अल्ट्रासोनिक तरंगों के प्रसार समय को मापना;

(3) अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के संचारण और प्राप्त करने वाले सिरों की दिशा को नियंत्रित करने के लिए स्टीयरिंग गियर के स्टीयरिंग को नियंत्रित करें;

(4) अल्ट्रासोनिक तरंगों की प्रसार गति को मापें;

(5) दूरी के अनुसार परीक्षण वस्तु के रूप में उपयुक्त अल्ट्रासोनिक आवृत्ति का चयन करें;

(6) तरल स्तर की ऊंचाई की गणना करें और डेटा प्रदर्शन जैसी संबंधित क्रियाएं करें। डिवाइस की 40 kHz पल्स ट्रेन सॉफ्टवेयर द्वारा उत्पन्न होती है; अल्ट्रासोनिक तरंग के प्रसार समय और गति की माप, और स्टीयरिंग गियर का स्टीयरिंग नियंत्रण सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर के टाइमिंग/काउंटर द्वारा पूरा किया जाता है।

सिस्टम प्रोग्राम लिखते समय, हार्डवेयर कनेक्शन पर विचार करें, लेकिन स्टोरेज स्पेस सेट करने, रजिस्टरों और बाहरी इंटरप्ट पिन के उपयोग पर भी विचार करें। इसके अलावा, कंपन के बाद और अपवर्तित तरंग विवर्तन के अस्तित्व के कारण, संबंधित प्रसंस्करण के लिए अल्ट्रासोनिक तरंगों के संचरण के अंत के बाद प्रतिध्वनि प्राप्त करने में कुछ समय लगता है।

मुख्य कार्यक्रम प्रवाह

सिस्टम मॉड्यूलर प्रोग्रामिंग को अपनाता है, जिसमें मुख्य प्रोग्राम मॉड्यूल, अल्ट्रासोनिक प्रसार समय माप मॉड्यूल, स्टीयरिंग गियर स्टीयरिंग मॉड्यूल, अल्ट्रासोनिक प्रसार गति माप मॉड्यूल, तरल स्तर गणना मॉड्यूल, डेटा डिस्प्ले और अन्य संबंधित शामिल हैं। यू अल्ट्रासोनिक मॉड्यूल दूरी सेंसर । सिस्टम आरंभ होने के बाद, निम्नलिखित अनंत लूप को प्राप्त करने के लिए while(1) कथन का उपयोग करें: पहले अल्ट्रासोनिक प्रसार समय माप मॉड्यूल को कॉल करें, और साथ ही अल्ट्रासोनिक संचारित करें, समय शुरू करने के लिए काउंटर चालू करें, और बाहरी व्यवधान को बंद करें। 1 एमएस विलंबित करें, फिर बाहरी व्यवधान चालू करें और प्रतिध्वनि की प्रतीक्षा करें। जब एक इको का पता चलता है, तो बाहरी इंटरप्ट प्रोग्राम में टाइमर को रोकें, टाइमर के मूल्य को स्टोर करें, और इको रिसेप्शन फ्लैग को 1 पर सेट करें। फिर स्टीयरिंग गियर के स्टीयरिंग मॉड्यूल को कॉल करें, टाइमिंग शुरू करने के लिए काउंटर चालू करें, और स्थिति 1 को नियंत्रित करें, जब पल्स चौड़ाई 2.5 एमएस से अधिक हो, तो नियंत्रण स्थिति 0; जब गिनती 3 एमएस तक पहुंच जाती है, तो स्टीयरिंग गियर को 90° बनाने के लिए काउंटर को साफ़ कर दिया जाता है। फिर अल्ट्रासोनिक प्रसार वेग माप मॉड्यूल को कॉल करें, और मानक बाफ़ल की निश्चित दूरी के माध्यम से ध्वनि वेग की गणना करें। स्टीयरिंग गियर के स्टीयरिंग मॉड्यूल में, स्टीयरिंग गियर को 0° पर घुमाने के लिए पल्स चौड़ाई को 1.5 एमएस पर सेट करें। अंत में, माइक्रोकंट्रोलर तरल स्तर गणना कार्यक्रम को कॉल करता है और डेटा डिस्प्ले जैसी संबंधित क्रियाएं करता है।

प्रायोगिक परिणाम और विश्लेषण

यह सिस्टम STC12C5A60S2 सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर पर सॉफ़्टवेयर को ठोस बनाता है। अल्ट्रासोनिक तरल स्तर माप प्रणाली के माप प्रभाव को सत्यापित करने के लिए, अपेक्षाकृत स्थिर प्रवाह दर वाले एक पानी के टैंक को माप के लिए बाहर चुना गया था, और वाल्व को नियंत्रित करके जल स्तर को बदल दिया गया था। सिस्टम को टैंक के नीचे से 7 मीटर की दूरी पर स्थापित किया गया था। सिस्टम की यादृच्छिक त्रुटि को कम करने के लिए 3 मापों का औसत लेने की विधि अपनाई जाती है।

माप परिणाम के यू अल्ट्रासोनिक दूरी ट्रांसड्यूसर की तुलना जल गेज माप डेटा से की जाती है, जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है। प्रयोगात्मक माप और त्रुटि विश्लेषण के अनुसार, सिस्टम में 30 मिमी का माप अंधा क्षेत्र होता है, और माप त्रुटि मूल रूप से 0.4% पर नियंत्रित होती है, जिससे उच्च परिशुद्धता प्राप्त होती है, जो औद्योगिक और कृषि उत्पादन में माप आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है।

समापन टिप्पणी

अल्ट्रासोनिक तरल स्तर माप प्रणाली में, के कारणों के पूर्ण विश्लेषण के आधार पर यू अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर सेंसर , पर्यावरणीय कारकों के प्रभाव और लागत के मुद्दों पर विचार के अनुसार, अल्ट्रासोनिक प्रसार गति की माप के लिए, बाफ़ल मुआवजा सुधार विधि प्राप्त करने के लिए अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर की दिशा को नियंत्रित करने के लिए स्टीयरिंग गियर का उपयोग करने का प्रस्ताव है जो लागत बचाता है, डिजाइन को सरल बनाता है और पर्यावरणीय प्रभाव कारकों पर पूरी तरह से विचार करता है एक विधि और तकनीकी साधन है जिसका तरल स्तर माप के प्रासंगिक साहित्य में उल्लेख नहीं किया गया है। पहले अल्ट्रासोनिक इको फ्रंट एज के सटीक कैप्चर के लिए, पहले इको फ्रंट एज के कैप्चर को बेहतर बनाने के लिए एक गेन प्रोग्रामेबल विधि अपनाई जाती है, जिससे रेंजिंग की सटीकता में सुधार होता है। ऊर्जा बचत, पर्यावरण संरक्षण और सादगी के विषय के साथ औद्योगिक और कृषि अनुप्रयोगों में, यह बेहतर विधि अपने अद्वितीय लाभों के साथ अल्ट्रासोनिक स्तर माप के लिए एक नया विचार बन गई है।