prinsippet for ultralydavstandsmåling og høypresisjons væskenivåmålingssystem

avstandsmålingssensor  Ultrasonisk  har en rekke fordeler, men det er mange faktorer som påvirker målenøyaktigheten, så det er vanskelig å oppnå høyere nøyaktighet. Basert på prinsippet om ultralydavstandsmåling, er temperatur- og fuktighetskompensasjonsprogram  for ultralydsvinger  enkelt, som ikke kan oppnå høypresisjonsavstandsmåling i et foranderlig og tøft miljø, og et standard baffelkompensasjonsprogram for doble ultralydsvingere. .Kostnaden er høy og kan ikke brukes mye på defekter i forskjellige felt. En enkelt standard baffelkompensasjonsordning  på p iezoelektriske u ltralydsensoren  sDen  er designet som bruker et styreutstyr for å kontrollere retningen til ultralydsvingeren. Som svar på kravet om at den første ekkofronten ikke kan fanges nøyaktig, foreslås en programmerbar forsterkningsforsterker for å fange returfronten til ekkoet ved forskjellige avstander. Forsøksresultatene viser at i området 7 m, når luft brukes som forplantningsmedium og den reflekterende overflaten er vann med gode emisjonsegenskaper, kontrolleres målefeilen innenfor 0,4 %. Denne forbedrede metoden kan oppnå lave kostnader under det tøffe og foranderlige miljøet.

 

introduksjon

For tiden er det mange metoder for væskenivåmåling, for eksempel flytenivåmåling, inngangstrykkassistert nivåmåling, mikrobølgeradarnivåmåling, infrarød nivåmåling, lasernivåmåling og ultralydnivåmåling. Blant dem trykksensoren  er  representert av kontaktmåling , som vil bli forurenset når den brukes i scener som tungt sediment, og deretter forårsake store feil. For berøringsfrie avstandssystemer er måling av væskenivå i mikrobølgeradar teknisk vanskelig og kostbart; infrarød væskenivåmåling er lav i pris og enkel å implementere, men har dårlig retningsevne og lav nøyaktighet; mens ultralydmåling av væskenivå kan gjøres uten å berøre væskeoverflaten , noe som  unngår påvirkning av væskeforurensning og korrosjon på måleutstyret, er det  ikke utsatt for lys, røyk, elektromagnetisk interferens, og har fordelene med høy oppløsning, enkel systemstruktur, praktisk installasjon og lave kostnader.

Ultralydavstandsmålingsmetoder inkluderer hovedsakelig fasedeteksjonsmetode, akustisk bølgeamplitudedeteksjonsmetode og transittidsdeteksjonsmetode. Selv om fasedeteksjonsmetoden har høy nøyaktighet, er måleområdet begrenset, så den brukes mindre; den akustiske bølgeamplitudedeteksjonsmetoden har lav nøyaktighet og påvirkes lett av reflekterte bølger; mens transitttidsmetoden er mellom de to første metodene, med høyere nøyaktighet og måling Den har et bredt spekter og er mye brukt.

I praktiske applikasjoner har utformingen av avstandssystemet stor innflytelse på avstandsnøyaktigheten. Derfor har analysen av arbeidsprinsippet og prosessen med ultralydavstand, forbedring av metodene og metodene for avstand og forbedring av nøyaktigheten til ultralydavstandstransduseren tiltrukket seg mer og mer oppmerksomhet. I henhold til det spesifikke miljøet til avstandssystemet er metoden for å forbedre nøyaktigheten litt annerledes. Denne artikkelen fokuserer på å redusere påvirkningen fra det ytre miljøet, valget av ultralydsvinger er kombinert med realiseringen av det spesifikke systemet, for å forbedre nøyaktigheten av ultralydnivåmåling.

 

Prinsippet for u ltrasonisk r anging

Ultralydbølger som brukes til avstandsmåling genereres vanligvis av den piezoelektriske effekten av piezoelektrisk keramikk. Denne piezoelektriske keramiske sensoren har to piezoelektriske skiver og en resonansplate. Når frekvensen til det to-nivås eksterne pulssignalet er lik den iboende piezoelektriske skiven Ved oscillasjonsfrekvensen vil den piezoelektriske skiven resonere og drive resonansplaten til å vibrere, og derved generere ultralydbølger; når resonansplaten mottar ultralydbølger, vil den trykke den piezoelektriske skiven for å vibrere og konvertere mekanisk energi til elektriske signaler.

Prinsippet for ultralydavstandstransduser  er  vist. Ved å bruke den kjente forplantningshastigheten v av ultralydbølger i luften, sender ultralydtransduseren ut ultralydbølger vertikalt til væskeoverflaten, og lydbølgene reflekteres i grensesnittet mellom vannoverflaten og gassen og sendes tilbake til ultralydtransduseren, og forplantningstiden t registreres, det vil si fra tiden fra overføring av ultralydsignalet til mottak av ultralydsignalet. mellom transduseren og væskenivået L=0,5vt, og da er det faktiske væskenivået:

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

 

Påvirkning av målefaktorer og løsninger

I henhold til formel (1) er de viktigste faktorene som påvirker nøyaktigheten av ultralydavstanden ultralydspredningshastigheten og ultralydspredningstiden. I tillegg er det ultralydfrekvenser som påvirker måleområdet og nøyaktigheten. Her studeres og diskuteres ikke forplantningstiden, kun feilene i de to andre aspektene studeres og analyseres, og fornuftige løsninger foreslås.

 

Ultrasonisk forplantningshastighet

Det meste av litteraturen foreslår å bruke temperaturkorreksjonsmetoden for å kompensere lydhastigheten, og forplantningshastighetsformelen er v=331,5+0,607T, der T er temperaturen (℃). Deretter ble det foreslått en dobbel kompensasjonsmetode for temperatur og fuktighet, og formelen for forplantningshastighet er:

Blant dem er pw partialtrykket til vanndamp, p er atmosfærisk trykk, T0 er den absolutte temperaturen, t er den målte lufttemperaturen, og v er ultralydbølgehastigheten etter kompensasjon. Forfatteren mener at den faktiske luften ikke er helt tørr, og luftens gjennomsnittlige molare masse og spesifikke varmeforhold er korrigert. Selv om denne metoden tar hensyn til fuktighetens påvirkning på lydhastigheten, er forplantningshastigheten også relatert til forplantningsmediet, vindhastigheten og trykket under faktiske miljøforhold. Andre faktorer henger sammen, så måleresultatene har fortsatt store feil.

 

Basert på miljøets påvirkning på forplantningshastigheten, foreslår noe litteratur en referansemålingsmetode. Prinsippet er å bruke en to-kanals metode. En kanal brukes til å måle ultralydspredningshastigheten. En standard baffel med kjent avstand er plassert foran ultralydsvingeren. Måle ;  tidsforskjellen til ultralydbølgen som når ledeplaten for å beregne forplantningshastigheten til ultralydbølgen i miljøet den andre kanalen måler fortsatt avstanden i henhold til vanlig målemetode. Derfor foreslås standard monteringsmetode for baffel. Denne metoden kan oppnå høyere nøyaktighet og tilpasse seg ulike komplekse miljøer. Det er imidlertid strenge krav til montering av standard bafler. Derfor er den tilsvarende beregningen dobbelt så installasjonsposisjonskartet for ultralydtransduseren er komplisert, og usikkerheten i det faktiske miljøet kan føre til at ultralydbølgen når ledeplaten for å produsere ubrukelige ultralydbølger gjennom flere refleksjoner, noe som påvirker målenøyaktigheten. Derfor foreslås en dobbel ultralydsvinger. .Den ene brukes til å måle forplantningshastigheten, og den andre brukes til å måle forplantningstiden, uten å påvirke hverandre. Selv om denne metoden reduserer beregningskompleksiteten, eliminerer ubrukelige ultralydbølger og forbedrer målenøyaktigheten, er kostnadene for de to transduserne relativt store, noe som ikke bidrar til popularisering.

 

Basert på forskningen og analysen ovenfor, foreslår denne artikkelen en metode for å bruke et styreutstyr for å kontrollere retningen til en enkelt ultralydsvinger, som ikke bare tar hensyn til faktorene som påvirker forplantningshastigheten, men også reduserer kostnadene, noe som er gunstig for popularisering på forskjellige felt. standard baffel plasseres vertikalt og plassert på samme horisontale linje som ultralydsvingeren. Avstanden mellom de to er fast og større enn blindsonen til ultralydtransduseren; rattet styrer ultralydsvingeren I retningen sender mikrodatamaskinen med én brikke instruksjoner for å få rattet til å styre svingeren slik at den vender vertikalt mot væskeoverflaten, og sender ultralydbølger for å måle forplantningstiden, kontroller deretter svingeren til å rotere 90°, vende standardskjermen vertikalt og sende ultralydbølger for å måle forplantningshastigheten.

 

 

Ultralydfrekvens

Bølgeligningen for ultralydforplantning i luften, der A er amplituden mottatt av ultralydsvingeren, A0 er den initiale amplituden som sendes ut av ultralydsvingeren, x er forplantningsavstanden til ultralydbølgen, ω er vinkelfrekvensen til ultralydbølgen, og bølgen er forplantningstiden til ultralydbølgen, og bølgen er bølgelengden til ultralydbølgen. ultralyd, α er dempningskoeffisienten til ultralyd, formelen er α=bf2, der b er dielektrisitetskonstanten og f er frekvensen til ultralyd.

I henhold til ligning (3) kan man se at når forplantningsavstanden til ultralydbølger i luften når 0,5α, dempes amplituden til ultralydbølgene til 1/e av originalen. Jo høyere ultralydfrekvensen er, desto kraftigere er dempningen og jo mindre er det detekterbare avstandsområdet, men jo mindre spredningsvinkelen til den utsendte ultralydbølgen er, desto tynnere er strålen og desto bedre retningsevne.

foreslår bruk av dobbel komparatorforming for å bestemme forkanten av ekkoet, men på grunn av usikkerheten til det faktiske målemiljøet, kan de to komparatorterskelene settes for små eller for store, noe som resulterer i redusert målenøyaktighet. Basert på dette foreslår denne artikkelen å bruke den programmerbare forsterkningsforsterkeren PGA112 for å forbedre nøyaktigheten av å fange forkanten av det første ekkoet gjennom flere forsterkningskorrigeringer.

programvaredesign

3.1 Programdesignideer og relaterte oppmerksomhetspunkter

For å oppnå måling av væskenivå med høy presisjon, må arbeidet som skal fullføres av programvaren:

(1) Generer 40 kHz ultralyd;

(2) Måling av forplantningstiden til ultralydbølger;

(3) Kontroller styringen av styreutstyret for å kontrollere retningen til sender- og mottaksendene til ultralydtransduseren;

(4) Mål forplantningshastigheten til ultralydbølger;

(5) Velg passende ultralydfrekvens som testobjekt i henhold til avstanden;

(6) Beregn høyden på væskenivået og utfør tilsvarende handlinger som datavisning. 40 kHz pulstoget til enheten genereres av programvare; måling av forplantningstiden og hastigheten til ultralydbølgen, og styringskontrollen av styreutstyret fullføres av timingen/telleren til enkeltbrikkemikrodatamaskinen.

Mens du skriver systemprogrammet, vurder maskinvaretilkoblingen, men vurder også å angi lagringsplass, bruk av registre og eksterne avbruddsstifter. I tillegg, på grunn av eksistensen av ettervibrasjon og refraksjonsbølgediffraksjon, tar det en periode å motta ekkoet etter slutten av overføringen av ultralydbølger for tilsvarende behandling.

Hovedprogramflyt

Systemet tar i bruk modulær programmering, inkludert hovedprogrammodul, ultrasonisk forplantningstidsmålingsmodul, styreutstyrsstyringsmodul, ultralydspredningshastighetsmålingsmodul, væskenivåberegningsmodul, datadisplay og annet tilsvarende u ltrasonisk modul avstandssensor . Etter at systemet er initialisert, bruk while(1)-setningen for å oppnå følgende uendelige sløyfe: ring først modulen for måling av ultralyd forplantningstid, og send samtidig ultralyden, slå på telleren for å starte timing, og slå av det eksterne avbruddet. Forsink 1 ms, slå deretter på det eksterne avbruddet og vent på ekkoet. Når et ekko oppdages, stopp timeren i det eksterne avbruddsprogrammet, lagre verdien av timeren, og ekkomottaksflagget settes til 1. Ring deretter opp styremodulen til styremaskinen, slå på telleren for å starte tidtaking, og kontroller posisjon 1, når pulsbredden er større enn 2,5 ms, kontrollposisjon 0; når tellingen når 3 ms, nullstilles telleren for å gjøre rattet 90°. Deretter kaller du modulen for måling av ultrasonisk forplantningshastighet, og beregner lydhastigheten gjennom den faste avstanden til standardskjermen. I styremaskinens styremodul, still inn pulsbredden til 1,5 ms for å få styremaskinen til å svinge til 0°. Til slutt kaller mikrokontrolleren opp væskenivåberegningsprogrammet og utfører tilsvarende handlinger som datavisning.

Eksperimentelle resultater og analyse

Dette systemet størkner programvaren på STC12C5A60S2 enkeltbrikke mikrodatamaskinen. For å verifisere måleeffekten til det ultralydske væskenivåmålesystemet ble det valgt en vanntank med relativt stabil strømningshastighet utendørs for måling, og vannstanden ble endret ved å styre ventilen. Systemet ble installert 7 m fra bunnen av tanken. Metoden for å ta gjennomsnittet av 3 målinger er tatt i bruk for å redusere den tilfeldige feilen i systemet.

Måleresultatene til u ltrasonisk avstandstransduser sammenlignes med vannmålerens måledata, som vist i tabell 1. I henhold til eksperimentell måling og feilanalyse har systemet en målingsblindsone på 30 mm, og målefeilen er i utgangspunktet kontrollert til 0,4 %, og oppnår høypresisjonsavstand, som kan møte målebehovet i industri- og landbruksproduksjon.

Avsluttende bemerkninger

I det ultrasoniske væskenivåmålingssystemet, basert på full analyse av årsakene til u ltrasonisk transdusersensor , for måling av ultralydspredningshastigheten, i henhold til påvirkningen av miljøfaktorer og hensynet til kostnadsproblemer, foreslås det å bruke et styreutstyr for å kontrollere retningen til ultralydtransduseren for å oppnå. Bafflekompensasjonskorreksjonsmetoden som sparer kostnader, forenkler designen og tar fullt hensyn til nevnte metode for miljøpåvirkningsfaktorer i litteraturen som ikke har vært relevant i litteraturen. For nøyaktig fangst av den første ultralyd-ekko-frontkanten, er en forsterkningsprogrammerbar metode tatt i bruk for å forbedre fangsten av den første ekko-frontkanten, og dermed forbedre nøyaktigheten av avstandsavstanden. I industrielle og landbruksapplikasjoner med tema energisparing, miljøvern og enkelhet, har denne forbedrede metoden blitt en ny idé for ultralydnivåmåling med sine unike fordeler.