zasada ultradźwiękowego pomiaru odległości i wysoce precyzyjny system pomiaru poziomu cieczy

Ultradźwiękowy pomiaru odległości  czujnik  ma szereg zalet, jednak na dokładność pomiaru wpływa wiele czynników, dlatego trudno o większą dokładność. Opierając się na zasadzie ultradźwiękowego pomiaru odległości, program kompensacji temperatury i wilgotności  przetwornika ultradźwiękowego  jest pojedynczy, który nie pozwala na osiągnięcie bardzo precyzyjnego pomiaru odległości w zmiennym i trudnym środowisku, oraz standardowy program kompensacji przegrody dla podwójnych przetworników ultradźwiękowych. .Koszt jest wysoki i nie można go szeroko zastosować do defektów w różnych dziedzinach. Pojedynczy standardowy schemat kompensacji  przegród Zaprojektowano piezoelektryczny ultradźwiękowy ,  sczujnik  który wykorzystuje przekładnię kierowniczą do kontrolowania kierunku przetwornika ultradźwiękowego. W odpowiedzi na wymóg, zgodnie z którym nie można dokładnie uchwycić pierwszego czoła echa, zaproponowano programowalny wzmacniacz wzmocnienia do wychwytywania czoła powrotnego echa w różnych odległościach. Wyniki eksperymentów pokazują, że w zakresie 7 m, gdy jako medium propagacyjne stosuje się powietrze, a powierzchnią odbijającą jest woda o dobrych właściwościach emisyjnych, błąd pomiaru kontrolowany jest w granicach 0,4%. Dzięki tej ulepszonej metodzie można osiągnąć niski koszt w trudnych i zmiennych warunkach.

 

wstęp

Obecnie istnieje wiele metod pomiaru poziomu cieczy, takich jak pomiar poziomu pływaka, pomiar poziomu wspomagany ciśnieniem wejściowym, mikrofalowy pomiar poziomu za pomocą radaru, pomiar poziomu w podczerwieni, laserowy pomiar poziomu i ultradźwiękowy pomiar poziomu. Wśród nich czujnik ciśnienia  jest  reprezentowany przez pomiar kontaktowy , który zostanie zanieczyszczony w przypadku użycia w scenach takich jak ciężki osad, a następnie spowoduje duże błędy. W przypadku bezdotykowych systemów odległości pomiar poziomu cieczy za pomocą radaru mikrofalowego jest technicznie trudny i kosztowny; pomiar poziomu cieczy w podczerwieni jest tani i łatwy do wdrożenia, ale ma słabą kierunkowość i niską dokładność; chociaż ultradźwiękowy pomiar poziomu cieczy można wykonać bez kontaktu z powierzchnią cieczy , co  pozwala uniknąć wpływu zanieczyszczeń cieczy i korozji na sprzęt pomiarowy, nie jest on  narażony na światło, dym, zakłócenia elektromagnetyczne i ma zalety wysokiej rozdzielczości, prostej struktury systemu, wygodnej instalacji i niskiego kosztu.

Metody pomiaru odległości ultradźwiękowej obejmują głównie metodę wykrywania fazy, metodę wykrywania amplitudy fali akustycznej i metodę wykrywania czasu przejścia. Chociaż metoda detekcji fazy charakteryzuje się dużą dokładnością, zakres pomiarowy jest ograniczony, dlatego jest rzadziej stosowana; metoda wykrywania amplitudy fali akustycznej ma niską dokładność i łatwo ulega wpływowi fal odbitych; natomiast metoda czasu przejścia znajduje się pomiędzy dwiema pierwszymi metodami, z większą dokładnością i pomiarem. Ma szeroki zakres i jest powszechnie stosowana.

W zastosowaniach praktycznych konstrukcja systemu pomiaru odległości ma duży wpływ na dokładność pomiaru. Dlatego analiza zasady działania i procesu pomiaru odległości ultradźwiękowej, doskonalenie metod i metod wyznaczania odległości oraz poprawa dokładności przetwornika ultradźwiękowego. coraz większą uwagę przyciąga W zależności od specyficznego środowiska systemu pomiaru odległości, metoda poprawy dokładności jest nieco inna. W artykule skupiono się na ograniczeniu wpływu środowiska zewnętrznego, wybór przetwornika ultradźwiękowego łączy się z realizacją konkretnego układu, aby poprawić dokładność ultradźwiękowego pomiaru poziomu.

 

Zasada ultradźwiękowego​ pomiaru ​

Fale ultradźwiękowe wykorzystywane do pomiaru odległości są zwykle generowane w wyniku efektu piezoelektrycznego ceramiki piezoelektrycznej. Ten piezoelektryczny czujnik ceramiczny składa się z dwóch płytek piezoelektrycznych i płyty rezonansowej. Gdy częstotliwość dwupoziomowego zewnętrznego sygnału impulsowego jest równa częstotliwości wewnętrznej płytki piezoelektrycznej. Przy częstotliwości oscylacji płytka piezoelektryczna będzie rezonować i wprawia płytkę rezonansową w drgania, generując w ten sposób fale ultradźwiękowe; gdy płyta rezonansowa odbierze fale ultradźwiękowe, dociśnie płytkę piezoelektryczną, aby wibrować i przekształcać energię mechaniczną w sygnały elektryczne.

zasadę działania ultradźwiękowego  przetwornika odległości. Wykorzystując znaną prędkość propagacji fal ultradźwiękowych v w powietrzu, przetwornik ultradźwiękowy emituje fale ultradźwiękowe pionowo do powierzchni cieczy, fale dźwiękowe odbijają się na granicy powierzchni wody i gazu i są przekazywane z powrotem do przetwornika ultradźwiękowego. Rejestrowany jest czas propagacji t, czyli od czasu od przesłania sygnału ultradźwiękowego do otrzymania sygnału echa ultradźwiękowego, odległość przetwornika od poziomu cieczy L=0,5vt, oraz wówczas rzeczywisty poziom cieczy wynosi: Pokazano

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

 

Wpływanie na czynniki i rozwiązania pomiarowe

Zgodnie ze wzorem (1) głównymi czynnikami wpływającymi na dokładność pomiaru odległości ultradźwiękowej są prędkość propagacji ultradźwięków i czas propagacji ultradźwięków. Ponadto istnieją częstotliwości ultradźwiękowe, które wpływają na zakres i dokładność pomiaru. Tutaj nie bada się i nie omawia czasu propagacji, bada się i analizuje jedynie błędy w pozostałych dwóch aspektach, a następnie proponuje się rozsądne rozwiązania.

 

Prędkość propagacji ultradźwięków

Większość literatury proponuje zastosowanie metody korekcji temperatury w celu kompensacji prędkości dźwięku, a wzór na prędkość propagacji wynosi v=331,5+0,607T, gdzie T jest temperaturą (℃). Następnie zaproponowano metodę podwójnej kompensacji temperatury i wilgotności, a wzór na prędkość propagacji jest następujący:

Wśród nich pw to ciśnienie cząstkowe pary wodnej, p to ciśnienie atmosferyczne, T0 to temperatura bezwzględna, t to zmierzona temperatura powietrza, a v to prędkość fali ultradźwiękowej po kompensacji. Autor uważa, że ​​rzeczywiste powietrze nie jest całkowicie suche, a średnia masa molowa i współczynnik ciepła właściwego powietrza są korygowane. Chociaż metoda ta uwzględnia wpływ wilgotności na prędkość dźwięku, prędkość propagacji jest również powiązana z medium propagacyjnym, prędkością wiatru i ciśnieniem w rzeczywistych warunkach środowiskowych. Inne czynniki są ze sobą powiązane, więc wyniki pomiarów nadal obarczone są dużymi błędami.

 

W oparciu o wpływ środowiska na prędkość propagacji w niektórych publikacjach proponuje się wzorcową metodę pomiaru. Zasadą jest stosowanie metody dwukanałowej. Jeden kanał służy do pomiaru prędkości propagacji ultradźwięków. Przed przetwornikiem ultradźwiękowym umieszcza się standardową przegrodę o znanej odległości. Pomiar ;  różnicy czasu fali ultradźwiękowej docierającej do przegrody w celu obliczenia prędkości propagacji fali ultradźwiękowej w otoczeniu drugi kanał nadal mierzy odległość zgodnie z normalną metodą pomiaru. Dlatego też zaproponowano pokazaną standardową metodę montażu przegród. Ta metoda pozwala osiągnąć wyższą dokładność pomiaru i dostosować się do różnych złożonych środowisk. Istnieją jednak rygorystyczne wymagania dotyczące montażu standardowych przegród. Dlatego odpowiednie obliczenia są dwukrotnie większe . Mapa pozycji instalacji przetwornika ultradźwiękowego jest skomplikowana, a niepewność rzeczywistego otoczenia może spowodować, że fala ultradźwiękowa dotrze do przegrody i wytworzy bezużyteczne fale ultradźwiękowe poprzez wielokrotne odbicia, co wpływa na dokładność pomiaru. Dlatego zaproponowano podwójny przetwornik ultradźwiękowy. .Jeden służy do pomiaru prędkości propagacji, a drugi do pomiaru czasu propagacji, nie wpływając na siebie. Choć metoda ta zmniejsza złożoność obliczeniową, eliminuje niepotrzebne fale ultradźwiękowe i poprawia dokładność pomiaru, koszt obu przetworników jest stosunkowo duży, co nie sprzyja popularyzacji.

 

Na podstawie powyższych badań i analiz w artykule zaproponowano metodę wykorzystania przekładni kierowniczej do sterowania kierunkiem pojedynczego przetwornika ultradźwiękowego, która nie tylko uwzględnia czynniki wpływające na prędkość propagacji, ale także zmniejsza koszty, co sprzyja popularyzacji w różnych dziedzinach. standardowa przegroda jest umieszczona pionowo i umieszczona na tej samej linii poziomej, co przetwornik ultradźwiękowy. Odległość między nimi jest stała i większa niż martwa strefa przetwornika ultradźwiękowego; przekładnia sterowa steruje przetwornikiem ultradźwiękowym W kierunku jednoukładowy mikrokomputer wysyła instrukcje, aby przekładnia sterowa sterowała przetwornikiem tak, aby była skierowana pionowo w stronę powierzchni cieczy i wysyłała fale ultradźwiękowe w celu pomiaru czasu propagacji, a następnie sterowała przetwornikiem tak, aby obrócił się o 90°, skierował się w stronę standardowej przegrody pionowo i wysłał fale ultradźwiękowe w celu pomiaru prędkości propagacji.

 

 

Częstotliwość ultradźwiękowa

Równanie fali propagacji fali ultradźwiękowej w powietrzu, gdzie A to amplituda odbierana przez przetwornik ultradźwiękowy, A0 to początkowa amplituda emitowana przez przetwornik ultradźwiękowy, x to odległość propagacji fali ultradźwiękowej, ω to częstotliwość kątowa fali ultradźwiękowej, a t to czas propagacji fali ultradźwiękowej, λ to długość fali ultradźwięków, α to współczynnik tłumienia ultradźwięków, wzór to α=bf2, gdzie b jest stałą dielektryczną, a f jest częstotliwością ultradźwięków.

Zgodnie z równaniem (3) można zauważyć, że gdy odległość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu osiąga 0,5α, amplituda fal ultradźwiękowych ulega osłabieniu do 1/e wartości początkowej. Im wyższa częstotliwość ultradźwiękowa, tym większe tłumienie i mniejszy wykrywalny zakres odległości, ale im mniejszy kąt rozproszenia emitowanej fali ultradźwiękowej, tym cieńsza wiązka i lepsza kierunkowość.

proponuje zastosowanie kształtowania podwójnego komparatora do określenia przedniej krawędzi echa, jednak ze względu na niepewność rzeczywistego środowiska pomiarowego progi dwóch komparatorów mogą być ustawione za małe lub za duże, co skutkuje zmniejszoną dokładnością pomiaru. Na tej podstawie w artykule zaproponowano zastosowanie programowalnego wzmacniacza wzmocnienia PGA112 w celu poprawy dokładności wychwytywania przedniej krawędzi pierwszego echa poprzez wielokrotną korektę wzmocnienia.

projektowanie oprogramowania

3.1 Pomysły na projekt programu i powiązane punkty uwagi

Aby uzyskać bardzo precyzyjny pomiar poziomu cieczy, program musi wykonać następujące prace:

(1) Wygeneruj ultradźwięki o częstotliwości 40 kHz;

(2) Pomiar czasu propagacji fal ultradźwiękowych;

(3) Sterowanie sterowaniem przekładni kierowniczej w celu kontrolowania kierunku końcówek nadawczych i odbiorczych przetwornika ultradźwiękowego;

(4) Zmierzyć prędkość propagacji fal ultradźwiękowych;

(5) Wybierz odpowiednią częstotliwość ultradźwiękową jako obiekt testowy w zależności od odległości;

(6) Oblicz wysokość poziomu cieczy i wykonaj odpowiednie czynności, takie jak wyświetlanie danych. Ciąg impulsów urządzenia o częstotliwości 40 kHz jest generowany przez oprogramowanie; pomiar czasu propagacji i prędkości fali ultradźwiękowej oraz sterowanie maszyną sterową uzupełnia pomiar czasu/licznik jednoukładowego mikrokomputera.

Pisząc program systemowy, należy wziąć pod uwagę połączenie sprzętowe, ale także rozważyć ustawienie przestrzeni pamięci, użycie rejestrów i pinów zewnętrznych przerwań. Ponadto, ze względu na występowanie wibracji następczych i dyfrakcji fali załamanej, odebranie echa po zakończeniu transmisji fal ultradźwiękowych w celu odpowiedniego przetwarzania zajmuje trochę czasu.

Główny przebieg programu

System przyjmuje programowanie modułowe, w tym główny moduł programu, moduł pomiaru czasu propagacji ultradźwiękowej, moduł sterujący przekładnią sterową, moduł pomiaru prędkości propagacji ultradźwiękowej, moduł obliczania poziomu cieczy, wyświetlacz danych i inne odpowiednie u ltrasonic modułowy czujnik odległości . Po inicjalizacji systemu użyj instrukcji while(1), aby uzyskać następującą nieskończoną pętlę: najpierw wywołaj moduł pomiaru czasu propagacji ultradźwięków i jednocześnie prześlij sygnał ultradźwiękowy, włącz licznik, aby rozpocząć odliczanie czasu i wyłącz przerwanie zewnętrzne. Opóźnij 1 ms, następnie włącz przerwanie zewnętrzne i poczekaj na echo. W przypadku wykrycia echa należy zatrzymać timer w programie przerwania zewnętrznego, zapisać wartość timera, a flaga odbioru echa zostanie ustawiona na 1. Następnie wywołać moduł sterujący przekładni kierowniczej, włączyć licznik, aby rozpocząć odmierzanie czasu i ustawić pozycję 1, gdy szerokość impulsu jest większa niż 2,5 ms, pozycję sterującą 0; gdy licznik osiągnie 3 ms, licznik zostanie wyzerowany, aby przekładnia kierownicza obróciła się o 90°. Następnie wywołaj moduł pomiaru prędkości propagacji ultradźwiękowej i oblicz prędkość dźwięku w ustalonej odległości od standardowej przegrody. W module sterującym przekładni kierowniczej należy ustawić szerokość impulsu na 1,5 ms, aby przekładnia kierownicza obróciła się na 0°. Na koniec mikrokontroler wywołuje program obliczający poziom cieczy i wykonuje odpowiednie czynności, takie jak wyświetlanie danych.

Wyniki eksperymentów i analizy

System ten wzmacnia oprogramowanie jednoukładowego mikrokomputera STC12C5A60S2. W celu sprawdzenia efektu pomiarowego ultradźwiękowego układu pomiaru poziomu cieczy do pomiaru wybrano zbiornik na wodę o w miarę stabilnym natężeniu przepływu, a poziom wody zmieniano poprzez sterowanie zaworem. System zamontowano 7 m od dna zbiornika. Aby zmniejszyć błąd losowy układu, przyjęto metodę średniej z 3 pomiarów.

pomiarów Wyniki ultradźwiękowy przetwornik odległości porównuje się z danymi pomiarowymi wodowskazu, jak pokazano w tabeli 1. Zgodnie z pomiarami eksperymentalnymi i analizą błędów, system ma ślepą strefę pomiaru wynoszącą 30 mm, a błąd pomiaru jest zasadniczo kontrolowany na poziomie 0,4%, co pozwala uzyskać wysoką precyzję pomiaru, która może spełnić potrzeby pomiarowe w produkcji przemysłowej i rolnej.

Uwagi końcowe

W ultradźwiękowym systemie pomiaru poziomu cieczy, w oparciu o pełną analizę przyczyn ultradźwiękowy czujnik przetwornika , do pomiaru prędkości propagacji ultradźwięków, zgodnie z wpływem czynników środowiskowych i uwzględnieniem kwestii kosztowych, proponuje się zastosowanie przekładni kierowniczej do kontrolowania kierunku przetwornika ultradźwiękowego, aby osiągnąć. Metoda korekcji kompensacji przegrody, która oszczędza koszty, upraszcza konstrukcję i w pełni uwzględnia czynniki wpływu na środowisko, jest metodą i środkiem technicznym, który nie został wspomniany w odpowiedniej literaturze dotyczącej pomiaru poziomu cieczy. W celu precyzyjnego uchwycenia pierwszej przedniej krawędzi echa ultradźwiękowego przyjęto metodę programowalnego wzmocnienia, aby poprawić wychwycenie pierwszej przedniej krawędzi echa, poprawiając w ten sposób dokładność pomiaru odległości. W zastosowaniach przemysłowych i rolniczych, których tematem jest oszczędność energii, ochrona środowiska i prostota, ta ulepszona metoda stała się nowym pomysłem na ultradźwiękowy pomiar poziomu z jego unikalnymi zaletami.