princip ultrazvučnog mjerenja udaljenosti i visokoprecizni sustav mjerenja razine tekućine

Ultrazvučni za mjerenje udaljenosti  senzor  ima niz prednosti, ali mnogo je faktora koji utječu na točnost mjerenja, pa je teško postići veću točnost. Temeljen na principu ultrazvučnog mjerenja udaljenosti, program kompenzacije temperature i vlažnosti  ultrazvučnog pretvornika  je jedan, koji ne može postići visoko precizno mjerenje udaljenosti u promjenjivom i oštrom okruženju, i standardni program kompenzacije pregrada za dvostruke ultrazvučne sonde. .Cijena je visoka i ne može se široko primijeniti na nedostatke u raznim područjima. Jedna standardna shema kompenzacije  pregrada p iezoelektrični ultrazvučni  ssenzor  dizajniran je tako da koristi upravljački mehanizam za kontrolu smjera ultrazvučnog pretvarača. Kao odgovor na zahtjev da se prva fronta odjeka ne može točno uhvatiti, predlaže se programibilno pojačalo pojačanja za hvatanje povratne fronte odjeka na različitim udaljenostima. Eksperimentalni rezultati pokazuju da se u rasponu od 7 m, kada se kao medij za širenje koristi zrak, a reflektirajuća površina voda s dobrim svojstvima emisije, pogreška mjerenja kontrolira unutar 0,4%. Ova poboljšana metoda može postići niske troškove u teškim i promjenjivim uvjetima.

 

uvod

Trenutačno postoje mnoge metode mjerenja razine tekućine, kao što je mjerenje razine pomoću plovka, mjerenje razine potpomognuto ulaznim tlakom, mjerenje razine mikrovalnim radarom, infracrveno mjerenje razine, lasersko mjerenje razine i ultrazvučno mjerenje razine. Među njima, senzor tlaka predstavljen  je  kontaktnim mjerenjem , koje će biti kontaminirano kada se koristi u scenama kao što je teški sediment, a zatim će uzrokovati velike pogreške. Za beskontaktne sustave mjerenja dometa, mjerenje razine tekućine mikrovalnim radarom je tehnički teško i skupo; infracrveno mjerenje razine tekućine je jeftino i jednostavno za implementaciju, ali ima slabu usmjerenost i nisku točnost; dok se ultrazvučno mjerenje razine tekućine može obaviti bez kontakta s površinom tekućine , čime  se izbjegava utjecaj onečišćenja tekućine i korozije na mjernu opremu, nije  podložno svjetlu, dimu, elektromagnetskim smetnjama i ima prednosti visoke rezolucije, jednostavne strukture sustava, prikladne instalacije i niske cijene.

Ultrazvučne metode određivanja raspona uglavnom uključuju metodu detekcije faze, metodu detekcije amplitude akustičnog vala i metodu detekcije vremena prolaza. Iako metoda detekcije faze ima visoku točnost, opseg mjerenja je ograničen, pa se manje primjenjuje; metoda detekcije amplitude akustičnog vala ima nisku točnost i lako je pod utjecajem reflektiranih valova; dok je metoda tranzitnog vremena između prve dvije metode, s većom točnošću i mjerenjem. Ima širok raspon i naširoko se koristi.

U praktičnim primjenama dizajn sustava za mjerenje udaljenosti ima veliki utjecaj na točnost mjerenja udaljenosti. Stoga je analiza principa rada i procesa ultrazvučnog određivanja dometa, poboljšanje metoda i metoda određivanja dometa te poboljšanje točnosti ultrazvučnog pretvornika dometa privlačilo sve više pažnje. U skladu sa specifičnom okolinom sustava rangiranja, metoda poboljšanja točnosti je malo drugačija. Ovaj se članak fokusira na smanjenje utjecaja vanjskog okruženja, izbor ultrazvučne sonde kombinira se s realizacijom specifičnog sustava, kako bi se poboljšala točnost ultrazvučnog mjerenja razine.

 

Princip ultrazvučnog ​ zvonjenja​

Ultrazvučni valovi koji se koriste za mjerenje udaljenosti obično se generiraju piezoelektričnim učinkom piezoelektrične keramike. Ovaj piezoelektrični keramički senzor ima dvije piezoelektrične pločice i rezonantnu ploču. Kada je frekvencija dvorazinskog vanjskog impulsnog signala jednaka inherentnoj piezoelektričnoj pločici Na frekvenciji oscilacije, piezoelektrična pločica će rezonirati i pokrenuti rezonantnu ploču da vibrira, stvarajući tako ultrazvučne valove; kada rezonantna ploča primi ultrazvučne valove, ona će pritisnuti piezoelektričnu pločicu da vibrira i pretvori mehaničku energiju u električne signale.

princip rada ultrazvučnog  pretvornika za mjerenje udaljenosti. Koristeći poznatu brzinu širenja v ultrazvučnih valova u zraku, ultrazvučni pretvornik emitira ultrazvučne valove okomito na površinu tekućine, a zvučni valovi se reflektiraju na granici između površine vode i plina i prenose natrag do ultrazvučnog pretvornika, a vrijeme propagacije t se bilježi, to jest, od vremena od odašiljanja ultrazvučnog signala do primanja ultrazvučnog eho signala, udaljenosti između sonde i razine tekućine L=0,5vt, a tada je stvarna razina tekućine: Prikazan je

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

 

Utjecajni mjerni faktori i rješenja

Prema formuli (1), glavni čimbenici koji utječu na točnost ultrazvučnog određivanja udaljenosti su brzina širenja ultrazvuka i vrijeme širenja ultrazvuka. Osim toga, postoje ultrazvučne frekvencije koje utječu na raspon mjerenja i točnost. Ovdje se ne proučava i ne raspravlja o vremenu propagacije, samo se proučavaju i analiziraju pogreške u druga dva aspekta, te se predlažu razumna rješenja.

 

Brzina širenja ultrazvuka

Većina literature predlaže korištenje metode temperaturne korekcije za kompenzaciju brzine zvuka, a formula za brzinu širenja je v=331,5+0,607T, gdje je T temperatura (℃). Zatim je predložena metoda dvostruke kompenzacije temperature i vlage, a formula za brzinu širenja je:

Među njima, pw je parcijalni tlak vodene pare, p je atmosferski tlak, T0 je apsolutna temperatura, t je izmjerena temperatura zraka, a v je brzina ultrazvučnog vala nakon kompenzacije. Autor smatra da stvarni zrak nije potpuno suh, te su korigirani prosječni omjer molarne mase i specifične topline zraka. Iako ova metoda uzima u obzir utjecaj vlažnosti na brzinu zvuka, brzina širenja također je povezana s medijem širenja, brzinom vjetra i tlakom u stvarnim uvjetima okoline. Ostali čimbenici su povezani, pa rezultati mjerenja još uvijek imaju velike pogreške.

 

Na temelju utjecaja okoline na brzinu širenja, neka literatura predlaže referentnu metodu mjerenja. Princip je korištenje dvokanalne metode. Jedan kanal se koristi za mjerenje brzine širenja ultrazvuka. Standardna pregrada s poznatom udaljenošću postavlja se ispred ultrazvučne sonde. Mjerenje ;  vremenske razlike ultrazvučnog vala koji doseže pregradu kako bi se izračunala brzina širenja ultrazvučnog vala u okolišu drugi kanal i dalje mjeri udaljenost prema uobičajenoj metodi mjerenja. Stoga se predlaže prikazana standardna metoda postavljanja pregrade. Ova metoda može postići veću točnost mjerenja i prilagoditi se različitim složenim okruženjima. Međutim, postoje strogi zahtjevi za ugradnju standardnih pregrada. Stoga je odgovarajući izračun dvostruk . Karta položaja ugradnje ultrazvučnog pretvarača je komplicirana, a nesigurnost stvarnog okruženja može uzrokovati da ultrazvučni val dođe do pregrade i proizvede beskorisne ultrazvučne valove kroz višestruke refleksije, što utječe na točnost mjerenja. Stoga se predlaže dvostruki ultrazvučni pretvarač. .Jedan se koristi za mjerenje brzine širenja, a drugi za mjerenje vremena širenja, bez utjecaja jedno na drugo. Iako ova metoda smanjuje računsku složenost, eliminira beskorisne ultrazvučne valove i poboljšava točnost mjerenja, cijena dvaju sondi je relativno visoka, što ne ide u prilog popularizaciji.

 

Na temelju gore navedenog istraživanja i analize, ovaj rad predlaže metodu korištenja kormilara za kontrolu smjera jednog ultrazvučnog pretvornika, koja ne samo da uzima u obzir čimbenike koji utječu na brzinu širenja, već i smanjuje troškove, što je korisno za popularizaciju u raznim područjima. standardna pregrada postavljena je okomito i postavljena na istoj vodoravnoj liniji kao i ultrazvučni pretvarač. Udaljenost između njih je fiksna i veća od slijepe zone ultrazvučnog pretvarača; upravljački mehanizam kontrolira ultrazvučni pretvarač U smjeru, mikroračunalo s jednim čipom šalje upute kako bi upravljački uređaj kontrolirao pretvarač okrenut prema površini tekućine okomito i slao ultrazvučne valove za mjerenje vremena širenja, zatim kontrolirao da se pretvarač okrene za 90°, okomito gleda prema standardnoj pregradi i šalje ultrazvučne valove za mjerenje brzine širenja.

 

 

Ultrazvučna frekvencija

Valna jednadžba ultrazvučnog širenja u zraku, gdje je A amplituda koju prima ultrazvučni pretvornik, A0 je početna amplituda koju emitira ultrazvučni pretvornik, x je udaljenost širenja ultrazvučnog vala, ω je kutna frekvencija ultrazvučnog vala, a t je vrijeme širenja ultrazvučnog vala, λ je valna duljina ultrazvuka, α je koeficijent slabljenja ultrazvuka, formula je α=bf2, gdje je b dielektrična konstanta, a f frekvencija ultrazvuka.

Prema jednadžbi (3), može se vidjeti da kada udaljenost širenja ultrazvučnih valova u zraku dosegne 0,5α, amplituda ultrazvučnih valova je prigušena na 1/e od izvorne. Što je viša ultrazvučna frekvencija, to je jače prigušenje i manji raspon udaljenosti koji se može detektirati, ali što je manji kut širenja emitiranog ultrazvučnog vala, to je tanja zraka i bolja usmjerenost.

predlaže upotrebu oblikovanja dvostrukog komparatora za određivanje prednjeg ruba odjeka, ali zbog nesigurnosti stvarnog mjernog okruženja, dva praga komparatora mogu biti postavljeni premali ili preveliki, što rezultira smanjenom točnošću mjerenja. Na temelju toga, ovaj članak predlaže korištenje programabilnog pojačala PGA112 za poboljšanje točnosti hvatanja prednjeg ruba prvog odjeka kroz višestruke korekcije pojačanja.

dizajn softvera

3.1 Ideje za dizajn programa i povezane točke pažnje

Kako bi se postiglo visoko precizno mjerenje razine tekućine, posao koji treba obaviti softver:

(1) Generirajte ultrazvuk od 40 kHz;

(2) Mjerenje vremena širenja ultrazvučnih valova;

(3) Upravljati upravljanjem kormilarskog mehanizma za kontrolu smjera odašiljačkog i prijemnog kraja ultrazvučnog pretvarača;

(4) Mjerenje brzine širenja ultrazvučnih valova;

(5) Odaberite odgovarajuću ultrazvučnu frekvenciju kao ispitni objekt prema udaljenosti;

(6) Izračunajte visinu razine tekućine i izvršite odgovarajuće radnje kao što je prikaz podataka. Niz impulsa od 40 kHz uređaja generira softver; mjerenje vremena širenja i brzine ultrazvučnog vala, te kontrola upravljanja kormilarskim uređajem dovršava mjerenje vremena/brojač mikroračunala s jednim čipom.

Prilikom pisanja sistemskog programa razmislite o spajanju hardvera, ali također razmislite o postavljanju prostora za pohranu, korištenju registara i eksternih prekidnih pinova. Osim toga, zbog postojanja naknadne vibracije i difrakcije lomljenog vala, potrebno je određeno vrijeme da se primi eho nakon završetka prijenosa ultrazvučnih valova za odgovarajuću obradu.

Glavni tijek programa

Sustav usvaja modularno programiranje, uključujući glavni programski modul, modul za mjerenje vremena ultrazvučnog širenja, upravljački modul kormilarskog mehanizma, modul za mjerenje brzine ultrazvučnog širenja, modul za izračun razine tekućine, prikaz podataka i druge odgovarajuće u ultrazvučni modul senzor udaljenosti . Nakon što se sustav inicijalizira, upotrijebite naredbu while(1) da postignete sljedeću beskonačnu petlju: prvo pozovite modul za mjerenje vremena širenja ultrazvuka i istovremeno odašiljite ultrazvuk, uključite brojač za početak mjerenja vremena i isključite vanjski prekid. Odgodite 1 ms, zatim uključite vanjski prekid i pričekajte jeku. Kada se detektira jeka, zaustavite mjerač vremena u vanjskom programu prekida, pohranite vrijednost mjerača vremena i zastavica prijema jeke postavljena je na 1. Zatim pozovite upravljački modul mehanizma za upravljanje, uključite brojač za početak mjerenja vremena i kontrolnu poziciju 1, kada je širina impulsa veća od 2,5 ms, kontrolnu poziciju 0; kada brojač dosegne 3 ms, brojač se briše kako bi upravljački mehanizam bio za 90°. Zatim pozovite modul za mjerenje brzine širenja ultrazvuka i izračunajte brzinu zvuka kroz fiksnu udaljenost standardne pregrade. U modulu upravljanja prijenosnika upravljača postavite širinu impulsa na 1,5 ms kako bi se prijenosnik upravljača okrenuo na 0°. Na kraju, mikrokontroler poziva program za izračun razine tekućine i izvodi odgovarajuće radnje kao što je prikaz podataka.

Eksperimentalni rezultati i analiza

Ovaj sustav učvršćuje softver na STC12C5A60S2 mikroračunalu s jednim čipom. Kako bi se provjerio mjerni učinak ultrazvučnog sustava za mjerenje razine tekućine, spremnik za vodu s relativno stabilnim protokom odabran je na otvorenom za mjerenje, a razina vode se mijenjala kontrolom ventila. Sustav je postavljen 7 m od dna spremnika. Metoda uzimanja prosjeka 3 mjerenja usvojena je kako bi se smanjila slučajna pogreška sustava.

Rezultati mjerenja od u Ultrazvučni pretvarač udaljenosti uspoređuje se s podacima mjerenja vodomjera, kao što je prikazano u tablici 1. Prema eksperimentalnom mjerenju i analizi pogreške, sustav ima slijepu zonu mjerenja od 30 mm, a pogreška mjerenja u osnovi je kontrolirana na 0,4%, čime se postiže visokoprecizno rangiranje, koje može zadovoljiti potrebe mjerenja u industrijskoj i poljoprivrednoj proizvodnji.

Zaključna razmatranja

U ultrazvučnom sustavu mjerenja razine tekućine, na temelju potpune analize uzroka u Senzor ultrazvučnog pretvarača , za mjerenje brzine širenja ultrazvučnog zvuka, u skladu s utjecajem čimbenika okoline i razmatranjem pitanja troškova, predlaže se korištenje mehanizma za upravljanje za kontrolu smjera ultrazvučnog pretvarača kako bi se postigla Metoda korekcije kompenzacije pregrade koja štedi troškove, pojednostavljuje dizajn i u potpunosti uzima u obzir čimbenike utjecaja na okoliš metoda je i tehnička sredstva koja nisu spomenuta u relevantnoj literaturi o mjerenju razine tekućine. Za precizno hvatanje prvog prednjeg ruba ultrazvučnog odjeka, usvojena je metoda programabilnog pojačanja za poboljšanje hvatanja prednjeg ruba prvog odjeka, čime se poboljšava točnost određivanja raspona. U industrijskim i poljoprivrednim primjenama s temom uštede energije, zaštite okoliša i jednostavnosti, ova poboljšana metoda postala je nova ideja za ultrazvučno mjerenje razine sa svojim jedinstvenim prednostima.