principe van ultrasone afstandsmeting en uiterst nauwkeurig vloeistofniveaumeetsysteem

Ultrasone afstandsmetingssensor  .  heeft een aantal voordelen, maar er zijn veel factoren die de meetnauwkeurigheid beïnvloeden, dus het is moeilijk om een ​​hogere nauwkeurigheid te bereiken Gebaseerd op het principe van ultrasone afstandsmeting, is het temperatuur- en vochtigheidscompensatieprogramma  van de ultrasone transducer  enkelvoudig, wat geen zeer nauwkeurige afstandsmeting kan bereiken in een veranderlijke en ruwe omgeving, en een standaard baffle-compensatieprogramma voor dubbele ultrasone transducers. .De kosten zijn hoog en kunnen niet op grote schaal worden toegepast op defecten op verschillende gebieden. Eén standaard baffle-compensatieregeling  van De piëzo -elektrische ultrasone  ssensor  is ontworpen en gebruikt een stuurinrichting om de richting van de ultrasone transducer te regelen. Als reactie op de eis dat het eerste echofront niet nauwkeurig kan worden opgevangen, wordt een programmeerbare versterkingsversterker voorgesteld om het retourfront van de echo op verschillende afstanden op te vangen. De experimentele resultaten laten zien dat binnen een bereik van 7 m, wanneer lucht als voortplantingsmedium wordt gebruikt en het reflecterende oppervlak water met goede emissie-eigenschappen is, de meetfout binnen 0,4% wordt beperkt. Deze verbeterde methode kan lage kosten realiseren in de barre en veranderlijke omgeving.

 

invoering

Momenteel zijn er veel methoden voor vloeistofniveaumeting, zoals vlotterniveaumeting, ingangsdrukondersteunde niveaumeting, microgolfradarniveaumeting, infraroodniveaumeting, laserniveaumeting en ultrasone niveaumeting. Onder hen de druksensor  wordt  weergegeven door contactmeting , die vervuild zal raken bij gebruik in scènes zoals zwaar sediment, en dan grote fouten zal veroorzaken. Voor contactloze afstandssystemen is het meten van het vloeistofniveau met microgolfradar technisch moeilijk en kostbaar; infrarood vloeistofniveaumeting is goedkoop en eenvoudig te implementeren, maar heeft een slechte richtingsgevoeligheid en lage nauwkeurigheid; Hoewel ultrasone vloeistofniveaumetingen kunnen worden uitgevoerd zonder contact te maken met het vloeistofoppervlak , waardoor  de invloed van vloeistofvervuiling en corrosie op de meetapparatuur wordt vermeden, is deze  niet onderhevig aan licht, rook, elektromagnetische interferentie en heeft de voordelen van hoge resolutie, eenvoudige systeemstructuur, gemakkelijke installatie en lage kosten.

Ultrasone bereikmethoden omvatten voornamelijk fasedetectiemethode, akoestische golfamplitudedetectiemethode en transittijddetectiemethode. Hoewel de fasedetectiemethode een hoge nauwkeurigheid heeft, is het meetbereik beperkt en wordt deze daarom minder toegepast; de detectiemethode voor akoestische golfamplitude heeft een lage nauwkeurigheid en wordt gemakkelijk beïnvloed door gereflecteerde golven; terwijl de transittijdmethode zich tussen de eerste twee methoden bevindt, met een hogere nauwkeurigheid en meting. Het heeft een breed bereik en wordt veel gebruikt.

In praktische toepassingen heeft het ontwerp van het afstandssysteem een ​​grote invloed op de afstandsnauwkeurigheid. Daarom heeft het analyseren van het werkingsprincipe en het proces van ultrasoon bereik, het verbeteren van de methoden en methoden voor bereik, en het verbeteren van de nauwkeurigheid van de ultrasone bereiktransducer steeds meer aandacht getrokken. Afhankelijk van de specifieke omgeving van het afstandssysteem is de methode voor het verbeteren van de nauwkeurigheid enigszins anders. Dit artikel richt zich op het verminderen van de invloed van de externe omgeving, de keuze voor een ultrasone transducer wordt gecombineerd met de realisatie van het specifieke systeem, om de nauwkeurigheid van de ultrasone niveaumeting te verbeteren.

 

Principe ultrasoon ​ bereikvan

Ultrasone golven die worden gebruikt voor afstandsmetingen worden meestal gegenereerd door het piëzo-elektrische effect van piëzo-elektrische keramiek. Deze piëzo-elektrische keramische sensor heeft twee piëzo-elektrische wafers en een resonantieplaat. Wanneer de frequentie van het externe pulssignaal met twee niveaus gelijk is aan de inherente piëzo-elektrische wafel. Bij de oscillatiefrequentie zal de piëzo-elektrische wafel resoneren en de resonantieplaat in trilling brengen, waardoor ultrasone golven worden gegenereerd; wanneer de resonantieplaat ultrasone golven ontvangt, zal deze op de piëzo-elektrische wafel drukken om te trillen en mechanische energie om te zetten in elektrische signalen.

Het principe van een ultrasone bereiktransducer  wordt  getoond. Met behulp van de bekende voortplantingssnelheid v van ultrasone golven in de lucht, zendt de ultrasone transducer ultrasone golven verticaal naar het vloeistofoppervlak uit, en de geluidsgolven worden gereflecteerd op het grensvlak tussen het wateroppervlak en het gas en teruggestuurd naar de ultrasone transducer, en de voortplantingstijd t wordt geregistreerd, dat wil zeggen vanaf de tijd vanaf het verzenden van het ultrasone signaal tot het ontvangen van het ultrasone echosignaal, de afstand tussen de transducer en het vloeistofniveau L = 0,5 vt, en vervolgens de werkelijke vloeistof niveau is:

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

 

Beïnvloeding van meetfactoren en oplossingen

Volgens formule (1) zijn de belangrijkste factoren die de nauwkeurigheid van ultrasoon bereik beïnvloeden de ultrasone voortplantingssnelheid en ultrasone voortplantingstijd. Daarnaast zijn er ultrasone frequenties die het meetbereik en de nauwkeurigheid beïnvloeden. Hier wordt de voortplantingstijd niet bestudeerd en besproken, maar worden alleen de fouten in de andere twee aspecten bestudeerd en geanalyseerd, en worden redelijke oplossingen voorgesteld.

 

Ultrasone voortplantingssnelheid

In de meeste literatuur wordt voorgesteld om de temperatuurcorrectiemethode te gebruiken om de snelheid van het geluid te compenseren, en de formule voor de voortplantingssnelheid is v=331,5+0,607T, waarbij T de temperatuur (℃) is. Vervolgens werd een dubbele compensatiemethode voor temperatuur en vochtigheid voorgesteld, en de formule voor de voortplantingssnelheid is:

Onder hen is pw de partiële druk van waterdamp, p de atmosferische druk, T0 de absolute temperatuur, t de gemeten luchttemperatuur en v de ultrasone golfsnelheid na compensatie. De auteur is van mening dat de werkelijke lucht niet volledig droog is en dat de gemiddelde molmassa en soortelijke warmteverhouding van de lucht worden gecorrigeerd. Hoewel deze methode rekening houdt met de invloed van vochtigheid op de geluidssnelheid, is de voortplantingssnelheid ook gerelateerd aan het voortplantingsmedium, de windsnelheid en de druk onder feitelijke omgevingsomstandigheden. Andere factoren zijn gerelateerd, dus de meetresultaten bevatten nog steeds grote fouten.

 

Op basis van de invloed van de omgeving op de voortplantingssnelheid wordt in sommige literatuur een benchmark-meetmethode voorgesteld. Het principe is om een ​​tweekanaalsmethode te gebruiken. Eén kanaal wordt gebruikt om de ultrasone voortplantingssnelheid te meten. Voor de ultrasone transducer wordt een standaard schot met een bekende afstand geplaatst. Het meten van  het tijdsverschil tussen de ultrasone golf die het keerschot bereikt om de voortplantingssnelheid van de ultrasone golf in de omgeving te berekenen; het andere kanaal meet nog steeds de afstand volgens de normale meetmethode. Daarom wordt de getoonde standaard installatiemethode voor het schot voorgesteld. Deze methode kan een hogere nauwkeurigheidsmeting bereiken en zich aanpassen aan verschillende complexe omgevingen. Er zijn echter strenge eisen aan de installatie van standaard schotten. Daarom is de overeenkomstige berekening dubbel . De kaart van de installatiepositie van de ultrasone transducer is ingewikkeld en de onzekerheid van de werkelijke omgeving kan ervoor zorgen dat de ultrasone golf het keerschot bereikt en nutteloze ultrasone golven produceert via meerdere reflecties, wat de meetnauwkeurigheid beïnvloedt. Daarom wordt een dubbele ultrasone transducer voorgesteld. .De ene wordt gebruikt om de voortplantingssnelheid te meten en de andere wordt gebruikt om de voortplantingstijd te meten, zonder elkaar te beïnvloeden. Hoewel deze methode de rekencomplexiteit vermindert, nutteloze ultrasone golven elimineert en de meetnauwkeurigheid verbetert, zijn de kosten van de twee transducers relatief hoog, wat niet bevorderlijk is voor popularisering.

 

Gebaseerd op het bovenstaande onderzoek en analyse, stelt dit artikel een methode voor om een ​​stuurinrichting te gebruiken om de richting van een enkele ultrasone transducer te regelen, waarbij niet alleen rekening wordt gehouden met de factoren die de voortplantingssnelheid beïnvloeden, maar ook de kosten worden verlaagd, wat gunstig is voor popularisering op verschillende gebieden. het standaard schot wordt verticaal geplaatst en op dezelfde horizontale lijn geplaatst als de ultrasone transducer. De afstand tussen de twee is vast en groter dan de blinde zone van de ultrasone transducer; de stuurinrichting bestuurt de ultrasone transducer In de richting stuurt de microcomputer met één chip instructies om de stuurinrichting de transducer te laten besturen om verticaal naar het vloeistofoppervlak te kijken, en ultrasone golven te sturen om de voortplantingstijd te meten, en vervolgens de transducer te besturen om 90 ° te draaien, verticaal naar het standaardschot te kijken en ultrasone golven te sturen om de voortplantingssnelheid te meten.

 

 

Ultrasone frequentie

De golfvergelijking van ultrasone voortplanting in de lucht, waarbij A de amplitude is die wordt ontvangen door de ultrasone transducer, A0 de initiële amplitude is die wordt uitgezonden door de ultrasone transducer, x de voortplantingsafstand van de ultrasone golf is, ω de hoekfrequentie van de ultrasone golf is, en t de voortplantingstijd van de ultrasone golf is, λ de golflengte van ultrasone golven is, α de verzwakkingscoëfficiënt van ultrasone golven is, de formule is α = bf2, waarbij b de diëlektrische constante is en f de frequentie van ultrageluid.

Volgens vergelijking (3) kan worden gezien dat wanneer de voortplantingsafstand van ultrasone golven in de lucht 0,5α bereikt, de amplitude van ultrasone golven wordt verzwakt tot 1/e van het origineel. Hoe hoger de ultrasone frequentie, hoe ernstiger de verzwakking en hoe kleiner het detecteerbare afstandsbereik, maar hoe kleiner de spreidingshoek van de uitgezonden ultrasone golf, hoe dunner de straal en hoe beter de gerichtheid.

stelt het gebruik van dual comparator shaping voor om de voorkant van de echo te bepalen, maar vanwege de onzekerheid van de feitelijke meetomgeving kunnen de twee comparatordrempels te klein of te groot worden ingesteld, wat resulteert in een verminderde meetnauwkeurigheid. Op basis hiervan wordt in dit artikel voorgesteld om de programmeerbare versterkingsversterker PGA112 te gebruiken om de nauwkeurigheid van het vastleggen van de voorkant van de eerste echo te verbeteren door middel van meerdere versterkingscorrecties.

software-ontwerp

3.1 Programmaontwerpideeën en bijbehorende aandachtspunten

Om een ​​uiterst nauwkeurige vloeistofniveaumeting te bereiken, moeten de werkzaamheden die door de software moeten worden uitgevoerd:

(1) Genereer 40 kHz-echografie;

(2) Meten van de voortplantingstijd van ultrasone golven;

(3) Bedien de besturing van de stuurinrichting om de richting van de zend- en ontvangstuiteinden van de ultrasone transducer te regelen;

(4) Meet de voortplantingssnelheid van ultrasone golven;

(5) Selecteer de juiste ultrasone frequentie als testobject op basis van de afstand;

(6) Bereken de hoogte van het vloeistofniveau en voer overeenkomstige acties uit, zoals gegevensweergave. De 40 kHz-pulstrein van het apparaat wordt softwarematig gegenereerd; de meting van de voortplantingstijd en snelheid van de ultrasone golf, en de stuurbediening van de stuurinrichting worden voltooid door de timing/teller van de microcomputer met één chip.

Houd bij het schrijven van het systeemprogramma rekening met de hardwareaansluiting, maar denk ook na over het instellen van de opslagruimte, het gebruik van registers en externe interrupt-pinnen. Bovendien duurt het, vanwege het bestaan ​​van navibratie en gebroken golfdiffractie, enige tijd voordat de echo wordt ontvangen na het einde van de transmissie van ultrasone golven voor overeenkomstige verwerking.

Hoofdprogrammastroom

Het systeem maakt gebruik van modulaire programmering, inclusief hoofdprogrammamodule, ultrasone voortplantingstijdmeetmodule, stuurinrichtingstuurmodule, ultrasone voortplantingssnelheidmeetmodule, vloeistofniveauberekeningsmodule, gegevensweergave en andere overeenkomstige Ultrasone module afstandssensor . Nadat het systeem is geïnitialiseerd, gebruikt u de while(1)-instructie om de volgende oneindige lus te bereiken: roep eerst de ultrasone voortplantingstijdmeetmodule aan en zend tegelijkertijd de ultrasone signalen uit, schakel de teller in om de timing te starten en schakel de externe interrupt uit. Vertraag 1 ms, schakel vervolgens de externe interrupt in en wacht op de echo. Wanneer een echo wordt gedetecteerd, stop dan de timer in het externe interruptprogramma, sla de waarde van de timer op en de echo-ontvangstvlag wordt ingesteld op 1. Roep vervolgens de stuurmodule van het stuurhuis op, zet de teller aan om de timing te starten en controleer positie 1, wanneer de pulsbreedte groter is dan 2,5 ms, stuur positie 0; wanneer de telling 3 ms bereikt, wordt de teller gewist en wordt de stuurinrichting 90° gemaakt. Roep vervolgens de ultrasone voortplantingssnelheidsmeetmodule op en bereken de geluidssnelheid over de vaste afstand van het standaardschot. Stel in de stuurmodule van het stuurhuis de pulsbreedte in op 1,5 ms om het stuurhuis naar 0° te laten draaien. Ten slotte roept de microcontroller het vloeistofniveauberekeningsprogramma op en voert overeenkomstige acties uit, zoals gegevensweergave.

Experimentele resultaten en analyse

Dit systeem versterkt de software op de STC12C5A60S2 microcomputer met één chip. Om het meeteffect van het ultrasone vloeistofniveaumeetsysteem te verifiëren, werd buiten een watertank met een relatief stabiel debiet geselecteerd om te meten, en het waterniveau werd veranderd door de klep te regelen. Het systeem werd 7 meter vanaf de bodem van de tank geïnstalleerd. De methode waarbij het gemiddelde van 3 metingen wordt genomen, wordt toegepast om de willekeurige fout van het systeem te verminderen.

De meetresultaten van ultrasone afstandstransducers worden vergeleken met de meetgegevens van de watermeter, zoals weergegeven in Tabel 1. Volgens experimentele metingen en foutenanalyse heeft het systeem een ​​blinde meetzone van 30 mm en wordt de meetfout in principe gecontroleerd op 0,4%, waardoor een hoge nauwkeurigheid wordt bereikt, die kan voldoen aan de meetbehoeften in de industriële en agrarische productie.

Slotopmerkingen

In het ultrasone vloeistofniveaumeetsysteem, gebaseerd op de volledige analyse van de oorzaken van de ultrasone transducersensor , voor het meten van de ultrasone voortplantingssnelheid, wordt, afhankelijk van de invloed van omgevingsfactoren en rekening houdend met kostenkwesties, voorgesteld om een ​​stuurinrichting te gebruiken om de richting van de ultrasone transducer te regelen om te bereiken. De correctiemethode voor baffle-compensatie die kosten bespaart, het ontwerp vereenvoudigt en volledig rekening houdt met milieu-impactfactoren is een methode en technische middelen die niet zijn genoemd in de relevante literatuur over vloeistofniveaumeting. Voor het nauwkeurig opvangen van de eerste ultrasone echo-voorrand wordt een programmeerbare versterkingsmethode toegepast om de opname van de eerste echo-voorrand te verbeteren, waardoor de nauwkeurigheid van het bereik wordt verbeterd. In industriële en agrarische toepassingen met als thema energiebesparing, milieubescherming en eenvoud is deze verbeterde methode een nieuw idee geworden voor ultrasone niveaumeting met zijn unieke voordelen.