prinsip pengukuran jarak ultrasonik dan sistem pengukuran level cairan presisi tinggi

pengukuran jarak ultrasonik  Sensor  memiliki sederet keunggulan, namun ada banyak faktor yang mempengaruhi akurasi pengukuran, sehingga sulit untuk mencapai akurasi yang lebih tinggi. Berdasarkan prinsip pengukuran jarak ultrasonik, program kompensasi suhu dan kelembaban  transduser ultrasonik  bersifat tunggal, yang tidak dapat mencapai pengukuran jarak presisi tinggi di lingkungan yang berubah-ubah dan keras, dan program kompensasi penyekat standar untuk transduser ultrasonik ganda .Biayanya tinggi dan tidak dapat diterapkan secara luas pada cacat di berbagai bidang. kompensasi penyekat standar tunggal Skema p iezoelektrik u ltrasonik  ssensor  dirancang yang menggunakan perangkat kemudi untuk mengontrol arah transduser ultrasonik. Menanggapi persyaratan bahwa pantulan gema pertama tidak dapat ditangkap secara akurat, penguat penguatan yang dapat diprogram diusulkan untuk menangkap pantulan balik gema pada jarak yang berbeda. Hasil percobaan menunjukkan bahwa pada jarak 7 m, ketika udara digunakan sebagai media propagasi dan permukaan reflektifnya adalah air dengan sifat emisi yang baik, kesalahan pengukuran dikendalikan dalam kisaran 0,4%. Metode yang ditingkatkan ini dapat mencapai biaya rendah dalam lingkungan yang keras dan mudah berubah.

 

perkenalan

Saat ini, terdapat banyak metode pengukuran level cairan, seperti pengukuran level float, pengukuran level dengan bantuan tekanan input, pengukuran level radar gelombang mikro, pengukuran level inframerah, pengukuran level laser, dan pengukuran level ultrasonik. Diantaranya, sensor tekanan  diwakili  oleh pengukuran kontak , yang akan terkontaminasi bila digunakan dalam pemandangan seperti sedimen berat, dan kemudian menyebabkan kesalahan besar. Untuk sistem jangkauan non-kontak, pengukuran level cairan radar gelombang mikro secara teknis sulit dan mahal; pengukuran tingkat cairan inframerah berbiaya rendah dan mudah diterapkan, tetapi memiliki directivity yang buruk dan akurasi yang rendah; sedangkan pengukuran level cairan ultrasonik dapat dilakukan tanpa menyentuh permukaan cairan , sehingga  menghindari pengaruh polusi cairan dan korosi pada peralatan pengukuran, tidak  terkena cahaya, asap, interferensi elektromagnetik, dan memiliki keunggulan resolusi tinggi, struktur sistem sederhana, pemasangan mudah, dan biaya rendah.

Metode jangkauan ultrasonik terutama mencakup metode deteksi fase, metode deteksi amplitudo gelombang akustik, dan metode deteksi waktu transit. Meskipun metode deteksi fase memiliki akurasi yang tinggi, namun rentang pengukurannya terbatas sehingga kurang diterapkan; metode deteksi amplitudo gelombang akustik memiliki akurasi yang rendah dan mudah terpengaruh oleh gelombang pantulan; sedangkan metode waktu transit berada di antara dua metode pertama, dengan akurasi dan pengukuran yang lebih tinggi. Memiliki jangkauan yang luas dan digunakan secara luas.

Dalam aplikasi praktis, desain sistem jangkauan memiliki pengaruh besar terhadap akurasi jangkauan. Oleh karena itu, menganalisis prinsip kerja dan proses rentang ultrasonik, meningkatkan metode dan metode rentang ultrasonik, dan meningkatkan akurasi transduser rentang ultrasonik telah menarik lebih banyak perhatian. Menurut lingkungan spesifik dari sistem jangkauan, metode peningkatan akurasi sedikit berbeda. Artikel ini berfokus pada pengurangan pengaruh lingkungan eksternal, pilihan transduser ultrasonik dikombinasikan dengan realisasi sistem spesifik, untuk meningkatkan akurasi pengukuran level ultrasonik.

 

Prinsip ultrasonik​ dering ​

Gelombang ultrasonik yang digunakan untuk pengukuran jarak biasanya dihasilkan oleh efek piezoelektrik keramik piezoelektrik. Sensor keramik piezoelektrik ini memiliki dua wafer piezoelektrik dan pelat resonansi. Ketika frekuensi sinyal pulsa eksternal dua tingkat sama dengan wafer piezoelektrik yang melekat. Pada frekuensi osilasi, wafer piezoelektrik akan beresonansi dan mendorong pelat resonansi bergetar, sehingga menghasilkan gelombang ultrasonik; ketika pelat resonansi menerima gelombang ultrasonik, ia akan menekan wafer piezoelektrik untuk bergetar dan mengubah energi mekanik menjadi sinyal listrik.

Prinsip  transduser rentang ultrasonik  ditunjukkan. Menggunakan kecepatan rambat v gelombang ultrasonik yang diketahui di udara, transduser ultrasonik memancarkan gelombang ultrasonik secara vertikal ke permukaan cairan, dan gelombang suara dipantulkan pada antarmuka antara permukaan air dan gas dan dikirim kembali ke transduser ultrasonik, dan waktu propagasi t dicatat, yaitu dari Waktu dari transmisi sinyal ultrasonik hingga menerima sinyal gema ultrasonik, jarak antara transduser dan level cairan L=0,5vt, dan kemudian level cairan sebenarnya adalah:

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

 

Mempengaruhi faktor pengukuran dan solusi

Menurut rumus (1), faktor utama yang mempengaruhi keakuratan jangkauan ultrasonik adalah kecepatan rambat ultrasonik dan waktu rambat ultrasonik. Selain itu, terdapat frekuensi ultrasonik yang mempengaruhi jangkauan dan akurasi pengukuran. Di sini, waktu propagasi tidak dipelajari dan didiskusikan, hanya kesalahan dalam dua aspek lainnya yang dipelajari dan dianalisis, dan solusi yang masuk akal diusulkan.

 

Kecepatan propagasi ultrasonik

Sebagian besar literatur mengusulkan untuk menggunakan metode koreksi suhu untuk mengkompensasi kecepatan suara, dan rumus kecepatan rambatnya adalah v=331,5+0,607T, di mana T adalah suhu (℃). Kemudian diusulkan metode kompensasi ganda suhu dan kelembaban, dan rumus kecepatan rambatnya adalah:

Diantaranya, pw adalah tekanan parsial uap air, p adalah tekanan atmosfer, T0 adalah suhu absolut, t adalah suhu udara terukur, dan v adalah kecepatan gelombang ultrasonik setelah kompensasi. Penulis percaya bahwa udara sebenarnya tidak sepenuhnya kering, dan massa molar rata-rata serta rasio panas spesifik udara telah diperbaiki. Meskipun metode ini memperhitungkan pengaruh kelembapan terhadap kecepatan suara, kecepatan rambat juga berkaitan dengan media rambat, kecepatan angin, dan tekanan pada kondisi lingkungan sebenarnya. Ada faktor lain yang saling berkaitan sehingga hasil pengukuran masih mempunyai kesalahan yang besar.

 

Berdasarkan pengaruh lingkungan terhadap kecepatan rambat, beberapa literatur mengusulkan metode pengukuran patokan. Prinsipnya menggunakan metode dua saluran. Satu saluran digunakan untuk mengukur kecepatan rambat ultrasonik. Penyekat standar dengan jarak yang diketahui ditempatkan di depan transduser ultrasonik. Mengukur selisih  waktu gelombang ultrasonik mencapai penyekat untuk menghitung kecepatan rambat gelombang ultrasonik di lingkungan; saluran lainnya masih mengukur jarak sesuai dengan metode pengukuran normal. Oleh karena itu, diusulkan metode pemasangan penyekat standar yang ditunjukkan. Metode ini dapat mencapai pengukuran akurasi yang lebih tinggi dan beradaptasi dengan berbagai lingkungan yang kompleks. Namun, ada persyaratan ketat untuk pemasangan baffle standar. Oleh karena itu, perhitungan yang sesuai adalah dua kali lipat karena peta posisi pemasangan transduser ultrasonik rumit, dan ketidakpastian lingkungan sebenarnya dapat menyebabkan gelombang ultrasonik mencapai penyekat untuk menghasilkan gelombang ultrasonik yang tidak berguna melalui beberapa refleksi, yang mempengaruhi akurasi pengukuran. Oleh karena itu, diusulkan transduser ultrasonik ganda. .Yang satu digunakan untuk mengukur kecepatan propagasi, dan yang lainnya digunakan untuk mengukur waktu propagasi, tanpa mempengaruhi satu sama lain. Meskipun metode ini mengurangi kompleksitas komputasi, menghilangkan gelombang ultrasonik yang tidak berguna, dan meningkatkan akurasi pengukuran, biaya kedua transduser relatif besar, sehingga tidak kondusif untuk mempopulerkan.

 

Berdasarkan penelitian dan analisis di atas, makalah ini mengusulkan metode penggunaan perangkat kemudi untuk mengontrol arah transduser ultrasonik tunggal, yang tidak hanya memperhitungkan faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan propagasi, tetapi juga mengurangi biaya, yang bermanfaat untuk mempopulerkan di berbagai bidang. penyekat standar ditempatkan secara vertikal dan ditempatkan pada garis horizontal yang sama dengan transduser ultrasonik. Jarak antara keduanya tetap dan lebih besar dari zona buta transduser ultrasonik; perangkat kemudi mengontrol transduser ultrasonik Dalam arahnya, komputer mikro chip tunggal mengirimkan instruksi untuk membuat perangkat kemudi mengontrol transduser agar menghadap permukaan cairan secara vertikal, dan mengirimkan gelombang ultrasonik untuk mengukur waktu rambat, kemudian mengontrol transduser untuk memutar 90°, menghadap penyekat standar secara vertikal, dan mengirimkan gelombang ultrasonik untuk mengukur kecepatan rambat.

 

 

Frekuensi ultrasonik

Persamaan gelombang rambat ultrasonik di udara, dimana A adalah amplitudo yang diterima transduser ultrasonik, A0 adalah amplitudo awal yang dipancarkan transduser ultrasonik, x adalah jarak rambat gelombang ultrasonik, ω adalah frekuensi sudut gelombang ultrasonik, dan t adalah waktu rambat gelombang ultrasonik, λ adalah panjang gelombang USG, α adalah koefisien atenuasi USG, rumusnya adalah α=bf2, dimana b adalah konstanta dielektrik dan f adalah frekuensi USG.

Berdasarkan persamaan (3) terlihat bahwa ketika jarak rambat gelombang ultrasonik di udara mencapai 0,5α maka amplitudo gelombang ultrasonik dilemahkan menjadi 1/e dari aslinya. Semakin tinggi frekuensi ultrasonik, semakin parah redamannya dan semakin kecil rentang jarak terdeteksi, namun semakin kecil sudut penyebaran gelombang ultrasonik yang dipancarkan, semakin tipis pancarannya dan semakin baik directivity-nya.

mengusulkan penggunaan pembentukan komparator ganda untuk menentukan tepi depan gema, namun karena ketidakpastian lingkungan pengukuran sebenarnya, kedua ambang batas komparator mungkin disetel terlalu kecil atau terlalu besar, sehingga mengurangi akurasi pengukuran. Berdasarkan hal ini, artikel ini mengusulkan untuk menggunakan penguat penguatan yang dapat diprogram PGA112 untuk meningkatkan akurasi menangkap tepi depan gema pertama melalui beberapa koreksi penguatan.

desain perangkat lunak

3.1 Ide rancangan program dan hal-hal yang perlu diperhatikan

Untuk mencapai pengukuran ketinggian cairan dengan presisi tinggi, pekerjaan yang harus diselesaikan oleh perangkat lunak:

(1) Menghasilkan USG 40 kHz;

(2) Mengukur waktu rambat gelombang ultrasonik;

(3) Mengontrol kemudi perangkat kemudi untuk mengontrol arah ujung transmisi dan penerima transduser ultrasonik;

(4) Mengukur kecepatan rambat gelombang ultrasonik;

(5) Pilih frekuensi ultrasonik yang sesuai sebagai objek uji sesuai dengan jarak;

(6) Hitung ketinggian permukaan cairan dan lakukan tindakan terkait seperti tampilan data. Rangkaian pulsa 40 kHz pada perangkat dihasilkan oleh perangkat lunak; pengukuran waktu rambat dan kecepatan gelombang ultrasonik, dan kendali kemudi perangkat kemudi diselesaikan dengan waktu/penghitung dari komputer mikro chip tunggal.

Saat menulis program sistem, pertimbangkan koneksi perangkat keras, tetapi juga pertimbangkan pengaturan ruang penyimpanan, penggunaan register dan pin interupsi eksternal. Selain itu, karena adanya getaran setelahnya dan difraksi gelombang bias, diperlukan jangka waktu tertentu untuk menerima gema setelah transmisi gelombang ultrasonik berakhir untuk pemrosesan yang sesuai.

Alur program utama

Sistem ini mengadopsi pemrograman modular, termasuk modul program utama, modul pengukuran waktu propagasi ultrasonik, modul kemudi roda kemudi, modul pengukuran kecepatan propagasi ultrasonik, modul perhitungan level cairan, tampilan data dan lainnya yang sesuai u sensor jarak modul ultrasonik . Setelah sistem diinisialisasi, gunakan pernyataan while(1) untuk mencapai loop tak terbatas berikut: pertama-tama panggil modul pengukuran waktu propagasi ultrasonik, dan pada saat yang sama mengirimkan ultrasonik, nyalakan penghitung untuk memulai pengaturan waktu, dan matikan interupsi eksternal. Tunda 1 ms, lalu nyalakan interupsi eksternal dan tunggu gema. Ketika gema terdeteksi, hentikan pengatur waktu dalam program interupsi eksternal, simpan nilai pengatur waktu, dan tanda penerimaan gema disetel ke 1. Kemudian panggil modul kemudi perangkat kemudi, nyalakan penghitung untuk memulai pengaturan waktu, dan kendalikan posisi 1, bila lebar pulsa lebih besar dari 2,5 ms, kendalikan posisi 0; ketika hitungan mencapai 3 ms, penghitung dihapus untuk membuat roda kemudi 90°. Kemudian panggil modul pengukuran kecepatan rambat ultrasonik, dan hitung kecepatan suara melalui jarak tetap penyekat standar. Dalam modul kemudi perangkat kemudi, atur lebar pulsa ke 1,5 ms untuk membuat perangkat kemudi berputar ke 0°. Terakhir, mikrokontroler memanggil program penghitungan level cairan dan melakukan tindakan terkait seperti tampilan data.

Hasil percobaan dan analisis

Sistem ini memperkuat perangkat lunak pada komputer mikro chip tunggal STC12C5A60S2. Untuk memverifikasi efek pengukuran sistem pengukuran ketinggian cairan ultrasonik, tangki air dengan laju aliran yang relatif stabil dipilih di luar ruangan untuk pengukuran, dan ketinggian air diubah dengan mengontrol katup. Sistem dipasang 7 m dari dasar tangki. Metode pengambilan rata-rata dari 3 pengukuran diadopsi untuk mengurangi kesalahan acak sistem.

Hasil pengukuran dari u transduser jarak ultrasonik dibandingkan dengan data pengukuran pengukur air, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Menurut pengukuran eksperimental dan analisis kesalahan, sistem memiliki zona buta pengukuran 30 mm, dan kesalahan pengukuran pada dasarnya dikendalikan pada 0,4%, mencapai rentang presisi tinggi, yang dapat memenuhi kebutuhan pengukuran dalam produksi industri dan pertanian.

Catatan penutup

Dalam sistem pengukuran level cairan ultrasonik, berdasarkan analisis lengkap penyebab u sensor transduser ultrasonik , untuk pengukuran kecepatan rambat ultrasonik, sesuai dengan pengaruh faktor lingkungan dan pertimbangan masalah biaya, diusulkan untuk menggunakan perangkat kemudi untuk mengontrol arah transduser ultrasonik untuk mencapai Metode koreksi kompensasi penyekat yang menghemat biaya, menyederhanakan desain dan sepenuhnya mempertimbangkan faktor dampak lingkungan adalah metode dan sarana teknis yang belum disebutkan dalam literatur terkait pengukuran ketinggian cairan. Untuk menangkap secara tepat tepi depan gema ultrasonik pertama, metode penguatan yang dapat diprogram diadopsi untuk meningkatkan penangkapan tepi depan gema pertama, sehingga meningkatkan akurasi jangkauan. Dalam aplikasi industri dan pertanian dengan tema penghematan energi, perlindungan lingkungan dan kesederhanaan, metode yang ditingkatkan ini telah menjadi ide baru untuk pengukuran level ultrasonik dengan keunggulan uniknya.