principio della misurazione della distanza ad ultrasuoni e sistema di misurazione del livello del liquido ad alta precisione

di misurazione della distanza a ultrasuoni  Il sensore  presenta una serie di vantaggi, ma ci sono molti fattori che influenzano la precisione della misurazione, quindi è difficile ottenere una precisione maggiore. Basato sul principio della misurazione della distanza a ultrasuoni, il programma di compensazione della temperatura e dell'umidità  del trasduttore a ultrasuoni  è unico, che non può ottenere misurazioni della distanza ad alta precisione in un ambiente mutevole e difficile, e un programma di compensazione del deflettore standard per trasduttori a ultrasuoni doppi. .Il costo è elevato e non può essere ampiamente applicato a difetti in vari campi. Un unico schema di compensazione del deflettore standard  di è progettato che utilizza un meccanismo di sterzo per controllare ultrasonico piezoelettrico la  sIl sensore  direzione del trasduttore ultrasonico. In risposta al requisito che il primo fronte dell'eco non possa essere catturato con precisione, viene proposto un amplificatore a guadagno programmabile per catturare il fronte di ritorno dell'eco a diverse distanze. I risultati sperimentali mostrano che nell'intervallo di 7 m, quando come mezzo di propagazione viene utilizzata l'aria e la superficie riflettente è acqua con buone proprietà di emissione, l'errore di misurazione è controllato entro lo 0,4%. Questo metodo migliorato può essere ottenuto a basso costo in un ambiente difficile e mutevole.

 

introduzione

Al momento, esistono molti metodi di misurazione del livello del liquido, come la misurazione del livello a galleggiante, la misurazione del livello assistita dalla pressione in ingresso, la misurazione del livello radar a microonde, la misurazione del livello a infrarossi, la misurazione del livello laser e la misurazione del livello a ultrasuoni. Tra questi, il sensore di pressione  è  rappresentato dalla misurazione del contatto , che verrà contaminato se utilizzato in scene come sedimenti pesanti e quindi causerà grandi errori. Per i sistemi di rilevamento senza contatto, la misurazione del livello del liquido con radar a microonde è tecnicamente difficile e costosa; la misurazione del livello dei liquidi a infrarossi è economica e facile da implementare, ma ha una scarsa direttività e una bassa precisione; mentre la misurazione del livello del liquido a ultrasuoni può essere eseguita senza contatto con la superficie del liquido ,  evitando l'influenza dell'inquinamento liquido e della corrosione sull'apparecchiatura di misurazione, non è  soggetta a luce, fumo, interferenze elettromagnetiche e presenta i vantaggi di alta risoluzione, struttura del sistema semplice, installazione conveniente e basso costo.

I metodi di misurazione a ultrasuoni includono principalmente il metodo di rilevamento della fase, il metodo di rilevamento dell'ampiezza delle onde acustiche e il metodo di rilevamento del tempo di transito. Sebbene il metodo di rilevamento di fase abbia un'elevata precisione, l'intervallo di misurazione è limitato, quindi è meno applicato; il metodo di rilevamento dell'ampiezza delle onde acustiche ha una bassa precisione ed è facilmente influenzato dalle onde riflesse; mentre il metodo del tempo di transito è tra i primi due metodi, con maggiore precisione e misurazione. Ha una vasta gamma ed è ampiamente utilizzato.

Nelle applicazioni pratiche, la progettazione del sistema di misurazione ha una grande influenza sulla precisione della misurazione. Pertanto, l'analisi del principio di funzionamento e del processo di misurazione degli ultrasuoni, il miglioramento dei metodi e dei metodi di misurazione e il miglioramento della precisione del trasduttore di misurazione degli ultrasuoni hanno attirato sempre più attenzione. A seconda dell'ambiente specifico del sistema di misurazione, il metodo per migliorare la precisione è leggermente diverso. Questo articolo si concentra sulla riduzione dell'influenza dell'ambiente esterno, la scelta del trasduttore ultrasonico è abbinata alla realizzazione del sistema specifico, per migliorare la precisione della misurazione del livello ultrasonico.

 

Principio ultrasonica​ portata della

Le onde ultrasoniche utilizzate per la misurazione della distanza sono solitamente generate dall'effetto piezoelettrico della ceramica piezoelettrica. Questo sensore ceramico piezoelettrico ha due wafer piezoelettrici e una piastra di risonanza. Quando la frequenza del segnale di impulso esterno a due livelli è uguale al wafer piezoelettrico intrinseco. Alla frequenza di oscillazione, il wafer piezoelettrico risuonerà e farà vibrare la piastra di risonanza, generando così onde ultrasoniche; quando la piastra di risonanza riceve onde ultrasoniche, premerà il wafer piezoelettrico per farlo vibrare e convertire l'energia meccanica in segnali elettrici.

a ultrasuoni . Utilizzando la velocità di propagazione nota v delle onde ultrasoniche nell'aria, il trasduttore ultrasonico emette onde ultrasoniche verticalmente sulla superficie del liquido, e le onde sonore vengono riflesse nell'interfaccia tra la superficie dell'acqua e il gas e ritrasmesse al trasduttore ultrasonico, e viene registrato il tempo di propagazione t, cioè dal tempo dalla trasmissione del segnale ultrasonico alla ricezione del segnale eco ultrasonico, la distanza tra il trasduttore e il livello del liquido L=0,5vt, e quindi il livello effettivo del liquido è: trasduttore  Viene mostrato il principio del

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

 

Influenzare i fattori e le soluzioni di misurazione

Secondo la formula (1), i principali fattori che influenzano la precisione della misurazione ultrasonica sono la velocità di propagazione ultrasonica e il tempo di propagazione ultrasonica. Inoltre, ci sono frequenze ultrasoniche che influenzano il campo di misura e la precisione. Qui non viene studiato e discusso il tempo di propagazione, vengono studiati e analizzati solo gli errori negli altri due aspetti e vengono proposte soluzioni ragionevoli.

 

Velocità di propagazione degli ultrasuoni

La maggior parte della letteratura propone di utilizzare il metodo di correzione della temperatura per compensare la velocità del suono e la formula della velocità di propagazione è v=331,5+0,607T, dove T è la temperatura (℃). Successivamente è stato proposto un metodo di doppia compensazione di temperatura e umidità e la formula della velocità di propagazione è:

Tra questi, pw è la pressione parziale del vapore acqueo, p è la pressione atmosferica, T0 è la temperatura assoluta, t è la temperatura dell'aria misurata e v è la velocità dell'onda ultrasonica dopo la compensazione. L'autore ritiene che l'aria reale non sia completamente secca e che la massa molare media e il rapporto termico specifico dell'aria siano corretti. Sebbene questo metodo tenga conto dell’influenza dell’umidità sulla velocità del suono, la velocità di propagazione è anche correlata al mezzo di propagazione, alla velocità del vento e alla pressione nelle condizioni ambientali reali. Altri fattori sono correlati, quindi i risultati della misurazione presentano ancora grandi errori.

 

In base all'influenza dell'ambiente sulla velocità di propagazione, parte della letteratura propone un metodo di misurazione di riferimento. Il principio è utilizzare un metodo a due canali. Un canale viene utilizzato per misurare la velocità di propagazione degli ultrasuoni. Davanti al trasduttore a ultrasuoni è posizionato un deflettore standard con una distanza nota. Misurare ;  la differenza temporale dell'onda ultrasonica che raggiunge il deflettore per calcolare la velocità di propagazione dell'onda ultrasonica nell'ambiente l'altro canale misura ancora la distanza secondo il normale metodo di misurazione. Pertanto, viene proposto il metodo di installazione del deflettore standard mostrato. Questo metodo può ottenere misurazioni con maggiore precisione e adattarsi a vari ambienti complessi. Tuttavia, esistono requisiti severi per l'installazione di deflettori standard. Pertanto, il calcolo corrispondente è doppio . La mappa della posizione di installazione del trasduttore ultrasonico è complicata e l'incertezza dell'ambiente reale può far sì che l'onda ultrasonica raggiunga il deflettore producendo onde ultrasoniche inutili attraverso riflessioni multiple, il che influisce sulla precisione della misurazione. Pertanto, viene proposto un doppio trasduttore ultrasonico. .Uno viene utilizzato per misurare la velocità di propagazione e l'altro viene utilizzato per misurare il tempo di propagazione, senza influenzarsi a vicenda. Sebbene questo metodo riduca la complessità computazionale, elimini le onde ultrasoniche inutili e migliori la precisione della misurazione, il costo dei due trasduttori è relativamente elevato, il che non favorisce la divulgazione.

 

Sulla base della ricerca e dell'analisi di cui sopra, questo articolo propone un metodo per utilizzare un meccanismo di sterzo per controllare la direzione di un singolo trasduttore ultrasonico, che non solo tiene conto dei fattori che influenzano la velocità di propagazione, ma riduce anche i costi, il che è vantaggioso per la divulgazione in vari campi. il deflettore standard è posto verticalmente e posizionato sulla stessa linea orizzontale del trasduttore ultrasonico. La distanza tra i due è fissa e maggiore della zona cieca del trasduttore ultrasonico; la scatola dello sterzo controlla il trasduttore a ultrasuoni Nella direzione, il microcomputer a chip singolo invia istruzioni per fare in modo che la scatola dello sterzo controlli il trasduttore in modo che sia rivolto verticalmente verso la superficie del liquido e invii onde ultrasoniche per misurare il tempo di propagazione, quindi controlla il trasduttore per ruotare di 90°, affrontare verticalmente il deflettore standard e inviare onde ultrasoniche per misurare la velocità di propagazione.

 

 

Frequenza ultrasonica

L'equazione d'onda della propagazione degli ultrasuoni nell'aria, dove A è l'ampiezza ricevuta dal trasduttore ultrasonico, A0 è l'ampiezza iniziale emessa dal trasduttore ultrasonico, x è la distanza di propagazione dell'onda ultrasonica, ω è la frequenza angolare dell'onda ultrasonica e t è il tempo di propagazione dell'onda ultrasonica, λ è la lunghezza d'onda degli ultrasuoni, α è il coefficiente di attenuazione degli ultrasuoni, la formula è α=bf2, dove b è la costante dielettrica e f è la frequenza degli ultrasuoni.

Secondo l'equazione (3), si può vedere che quando la distanza di propagazione delle onde ultrasoniche nell'aria raggiunge 0,5α, l'ampiezza delle onde ultrasoniche viene attenuata a 1/e dell'originale. Maggiore è la frequenza ultrasonica, più grave è l'attenuazione e minore è la distanza rilevabile, ma minore è l'angolo di diffusione dell'onda ultrasonica emessa, più sottile è il raggio e migliore è la direttività.

propone l'uso della modellazione del doppio comparatore per determinare il bordo anteriore dell'eco, ma a causa dell'incertezza dell'effettivo ambiente di misurazione, le soglie dei due comparatori potrebbero essere impostate troppo piccole o troppo grandi, con conseguente riduzione della precisione della misurazione. Sulla base di ciò, questo articolo propone di utilizzare l'amplificatore a guadagno programmabile PGA112 per migliorare la precisione di cattura del bordo anteriore del primo eco attraverso correzioni multiple di guadagno.

progettazione del software

3.1 Idee per la progettazione del programma e relativi punti di attenzione

Per ottenere una misurazione del livello del liquido ad alta precisione, il lavoro che deve essere completato dal software:

(1) Genera ultrasuoni a 40 kHz;

(2) Misurazione del tempo di propagazione delle onde ultrasoniche;

(3) Controllare lo sterzo della scatola dello sterzo per controllare la direzione delle estremità di trasmissione e ricezione del trasduttore ad ultrasuoni;

(4) Misurare la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche;

(5) Selezionare la frequenza ultrasonica appropriata come oggetto di prova in base alla distanza;

(6) Calcolare l'altezza del livello del liquido ed eseguire le azioni corrispondenti come la visualizzazione dei dati. Il treno di impulsi a 40 kHz del dispositivo è generato dal software; la misurazione del tempo di propagazione e della velocità dell'onda ultrasonica e il controllo dello sterzo della timoneria sono completati dal temporizzazione/contatore del microcomputer a chip singolo.

Durante la scrittura del programma di sistema, considerare la connessione hardware, ma considerare anche l'impostazione dello spazio di archiviazione, l'uso di registri e pin di interruzione esterni. Inoltre, a causa della post-vibrazione e della diffrazione delle onde rifratte, è necessario un periodo di tempo per ricevere l'eco dopo la fine della trasmissione delle onde ultrasoniche per l'elaborazione corrispondente.

Flusso del programma principale

Il sistema adotta una programmazione modulare, incluso il modulo del programma principale, il modulo di misurazione del tempo di propagazione degli ultrasuoni, il modulo dello sterzo dello sterzo, il modulo di misurazione della velocità di propagazione degli ultrasuoni, il modulo di calcolo del livello del liquido, la visualizzazione dei dati e altri corrispondenti u Sensore di distanza del modulo ad ultrasuoni . Dopo che il sistema è stato inizializzato, utilizzare l'istruzione while(1) per ottenere il seguente ciclo infinito: chiamare prima il modulo di misurazione del tempo di propagazione degli ultrasuoni e allo stesso tempo trasmettere gli ultrasuoni, accendere il contatore per avviare il cronometraggio e disattivare l'interruzione esterna. Ritarda 1 ms, quindi attiva l'interrupt esterno e attendi l'eco. Quando viene rilevata un'eco, arrestare il timer nel programma di interruzione esterno, memorizzare il valore del timer e il flag di ricezione dell'eco è impostato su 1. Quindi chiamare il modulo di sterzo della scatola dello sterzo, accendere il contatore per avviare la temporizzazione e controllare la posizione 1, quando l'ampiezza dell'impulso è maggiore di 2,5 ms, controllare la posizione 0; quando il conteggio raggiunge i 3 ms il contatore viene azzerato per portare la scatola dello sterzo a 90°. Quindi richiamare il modulo di misurazione della velocità di propagazione degli ultrasuoni e calcolare la velocità del suono attraverso la distanza fissa del deflettore standard. Nel modulo di sterzo della scatola dello sterzo, impostare l'ampiezza dell'impulso su 1,5 ms per far girare la scatola dello sterzo a 0°. Infine, il microcontrollore richiama il programma di calcolo del livello del liquido ed esegue le azioni corrispondenti come la visualizzazione dei dati.

Risultati sperimentali e analisi

Questo sistema consolida il software sul microcomputer a chip singolo STC12C5A60S2. Per verificare l'effetto di misurazione del sistema di misurazione del livello del liquido a ultrasuoni, è stato selezionato all'aperto per la misurazione un serbatoio dell'acqua con una portata relativamente stabile e il livello dell'acqua è stato modificato controllando la valvola. Il sistema è stato installato a 7 m dal fondo della vasca. Per ridurre l'errore casuale del sistema viene adottato il metodo della media di 3 misurazioni.

I risultati della misurazione di I trasduttori di distanza ultrasonici vengono confrontati con i dati di misurazione del misuratore dell'acqua, come mostrato nella Tabella 1. Secondo la misurazione sperimentale e l'analisi degli errori, il sistema ha una zona cieca di misurazione di 30 mm e l'errore di misurazione è sostanzialmente controllato allo 0,4%, ottenendo un intervallo di alta precisione, in grado di soddisfare le esigenze di misurazione nella produzione industriale e agricola.

Osservazioni conclusive

Nel sistema di misurazione del livello del liquido ad ultrasuoni, basato sull'analisi completa delle cause del , Sensore trasduttore ultrasonico per la misurazione della velocità di propagazione degli ultrasuoni, in base all'influenza dei fattori ambientali e tenendo conto dei problemi di costo, si propone di utilizzare uno sterzo per controllare la direzione del trasduttore ultrasonico per ottenere. Il metodo di correzione della compensazione del deflettore che consente di risparmiare sui costi, semplifica la progettazione e considera pienamente i fattori di impatto ambientale è un metodo e un mezzo tecnico che non è stato menzionato nella letteratura pertinente sulla misurazione del livello dei liquidi. Per la cattura precisa del primo bordo anteriore dell'eco ultrasonico, viene adottato un metodo di guadagno programmabile per migliorare la cattura del primo bordo anteriore dell'eco, migliorando così la precisione della misurazione. Nelle applicazioni industriali e agricole con il tema del risparmio energetico, della protezione ambientale e della semplicità, questo metodo migliorato è diventato una nuova idea per la misurazione del livello a ultrasuoni con i suoi vantaggi unici.