principiul de măsurare a distanței cu ultrasunete și sistem de măsurare a nivelului lichidului de înaltă precizie

de măsurare a distanței cu ultrasunete  Senzorul  are o serie de avantaje, dar există mulți factori care afectează precizia măsurării, astfel încât este dificil să se obțină o precizie mai mare. Pe baza principiului de măsurare a distanței cu ultrasunete, programul de compensare a temperaturii și umidității  traductorului ultrasonic  este unic, care nu poate realiza măsurarea distanței de înaltă precizie într-un mediu schimbător și dur și un program standard de compensare a deflectorului pentru traductoare ultrasonice duble. .Costul este ridicat și nu poate fi aplicat pe scară largă la defectele din diferite domenii. O singură schemă standard de compensare  a deflectorului piezoelectric u ltrasonic  sSenzorul  este proiectat care utilizează un mecanism de direcție pentru a controla direcția traductorului cu ultrasunete. Ca răspuns la cerința conform căreia primul front de ecou nu poate fi captat cu acuratețe, este propus un amplificator de câștig programabil pentru a capta frontul de întoarcere a ecoului la distanțe diferite. Rezultatele experimentale arată că în intervalul de 7 m, atunci când aerul este utilizat ca mediu de propagare și suprafața reflectorizante este apă cu proprietăți bune de emisie, eroarea de măsurare este controlată în limita a 0,4%. Această metodă îmbunătățită poate obține costuri reduse în mediul dur și schimbător.

 

introducere

În prezent, există multe metode de măsurare a nivelului lichidului, cum ar fi măsurarea nivelului cu plutitor, măsurarea nivelului asistată de presiune de intrare, măsurarea nivelului radar cu microunde, măsurarea nivelului în infraroșu, măsurarea nivelului cu laser și măsurarea nivelului cu ultrasunete. Printre acestea, senzorul de presiune  este  reprezentat de măsurarea contactului , care va fi contaminat atunci când este utilizat în scene precum sedimente grele și apoi va provoca erori mari. Pentru sistemele fără contact, măsurarea nivelului lichidului radar cu microunde este dificilă și costisitoare din punct de vedere tehnic; Măsurarea nivelului de lichid în infraroșu are un cost scăzut și ușor de implementat, dar are o directivitate slabă și o precizie scăzută; În timp ce măsurarea cu ultrasunete a nivelului lichidului se poate face fără contactarea suprafeței lichidului , ceea ce  evită influența poluării lichide și a coroziunii asupra echipamentului de măsurare, nu este  supusă luminii, fumului, interferențelor electromagnetice și are avantajele unei rezoluții înalte, structuri simple a sistemului, instalare convenabilă și costuri reduse.

Metodele de măsurare cu ultrasunete includ în principal metoda de detectare a fazei, metoda de detectare a amplitudinii undelor acustice și metoda de detectare a timpului de tranzit. Deși metoda de detectare a fazei are o precizie ridicată, domeniul de măsurare este limitat, deci este mai puțin aplicat; metoda de detectare a amplitudinii undelor acustice are o precizie scăzută și este ușor afectată de undele reflectate; în timp ce metoda timpului de tranzit este între primele două metode, cu precizie și măsurători mai mari. Are o gamă largă și este utilizată pe scară largă.

În aplicațiile practice, proiectarea sistemului de măsurare are o mare influență asupra preciziei de măsurare. Prin urmare, analiza principiului de lucru și a procesului de măsurare cu ultrasunete, îmbunătățirea metodelor și metodelor de măsurare și îmbunătățirea preciziei traductorului de măsurare ultrasonică a atras din ce în ce mai multă atenție. În funcție de mediul specific al sistemului de măsurare, metoda de îmbunătățire a preciziei este ușor diferită. Acest articol se concentrează pe reducerea influenței mediului extern, alegerea traductorului ultrasonic este combinată cu realizarea sistemului specific, pentru a îmbunătăți acuratețea măsurării nivelului ultrasonic.

 

Principiul soneriei ultrasunete ​​

Undele ultrasonice utilizate pentru măsurarea distanței sunt de obicei generate de efectul piezoelectric al ceramicii piezoelectrice. Acest senzor ceramic piezoelectric are două plachete piezoelectrice și o placă de rezonanță. Când frecvența semnalului de impuls extern cu două niveluri este egală cu placheta piezoelectrică inerentă La frecvența de oscilație, placa piezoelectrică va rezona și va conduce placa de rezonanță să vibreze, generând astfel unde ultrasonice; când placa de rezonanță primește unde ultrasonice, va apăsa napolitana piezoelectrică pentru a vibra și a converti energia mecanică în semnale electrice.

principiul  traductorului cu ultrasunete. Folosind viteza de propagare cunoscută v a undelor ultrasonice în aer, traductorul ultrasonic emite unde ultrasonice vertical pe suprafața lichidului, iar undele sonore sunt reflectate la interfața dintre suprafața apei și gaz și transmise înapoi la traductorul ultrasonic, iar timpul de propagare t este înregistrat, adică de la momentul transmiterii semnalului ultrasonic până la recepționarea semnalului ultrasonic și a distanței dintre transducerea nivelului ultrasonic și nivelul lichidului. L=0,5vt, iar apoi nivelul real al lichidului este: Este prezentat

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

 

Influențarea factorilor de măsurare și a soluțiilor

Conform formulei (1), principalii factori care afectează precizia distanței ultrasonice sunt viteza de propagare a ultrasunetelor și timpul de propagare a ultrasunetelor. În plus, există frecvențe ultrasonice care afectează domeniul de măsurare și precizia. Aici nu se studiază și se discută timpul de propagare, se studiază și se analizează doar erorile din celelalte două aspecte și se propun soluții rezonabile.

 

Viteza de propagare a ultrasunetelor

Cea mai mare parte a literaturii propune utilizarea metodei de corecție a temperaturii pentru a compensa viteza sunetului, iar formula vitezei de propagare este v=331,5+0,607T, unde T este temperatura (℃). Apoi, a fost propusă o metodă de compensare duală a temperaturii și umidității, iar formula vitezei de propagare este:

Printre acestea, pw este presiunea parțială a vaporilor de apă, p este presiunea atmosferică, T0 este temperatura absolută, t este temperatura măsurată a aerului și v este viteza undei ultrasonice după compensare. Autorul consideră că aerul real nu este complet uscat, iar masa molară medie și raportul de căldură specifică a aerului sunt corectate. Deși această metodă ține cont de influența umidității asupra vitezei sunetului, viteza de propagare este, de asemenea, legată de mediul de propagare, viteza vântului și presiunea în condiții reale de mediu. Alți factori sunt legați, astfel încât rezultatele măsurătorilor au încă erori mari.

 

Pe baza influenței mediului asupra vitezei de propagare, unele literaturi propun o metodă de măsurare de referință. Principiul este de a folosi o metodă cu două canale. Un canal este utilizat pentru a măsura viteza de propagare a ultrasunetelor. Un deflector standard cu o distanță cunoscută este plasat în fața traductorului cu ultrasunete. Măsurarea diferenței de timp a undei ultrasonice care ajunge la deflector pentru a calcula viteza de propagare a  undei ultrasonice în mediu; celălalt canal încă măsoară distanța conform metodei normale de măsurare. Prin urmare, este propusă metoda standard de instalare a deflectorului prezentată. Această metodă poate obține măsurarea cu o precizie mai mare și se poate adapta la diferite medii complexe. Cu toate acestea, există cerințe stricte pentru instalarea deflectoarelor standard. Prin urmare, calculul corespunzător este dublu , harta poziției de instalare a traductorului cu ultrasunete este complicată, iar incertitudinea mediului real poate face ca unda ultrasonică să ajungă la deflector pentru a produce unde ultrasonice inutile prin reflexii multiple, ceea ce afectează precizia măsurării. Prin urmare, se propune un traductor ultrasonic dublu. .Unul este folosit pentru a măsura viteza de propagare, iar celălalt este utilizat pentru a măsura timpul de propagare, fără a se afecta unul pe celălalt. Deși această metodă reduce complexitatea de calcul, elimină undele ultrasonice inutile și îmbunătățește acuratețea măsurătorilor, costul celor două traductoare este relativ mare, ceea ce nu este propice pentru popularizare.

 

Pe baza cercetărilor și analizei de mai sus, această lucrare propune o metodă de utilizare a unui mecanism de direcție pentru a controla direcția unui singur traductor cu ultrasunete, care nu numai că ia în considerare factorii care afectează viteza de propagare, ci și reduce costul, ceea ce este benefic pentru popularizarea în diverse domenii. deflectorul standard este plasat vertical și plasat pe aceeași linie orizontală ca și traductorul ultrasonic. Distanța dintre cele două este fixă ​​și mai mare decât zona oarbă a traductorului ultrasonic; mecanismul de direcție controlează traductorul cu ultrasunete În direcția, microcomputerul cu un singur cip trimite instrucțiuni pentru a face ca mecanismul de direcție să controleze traductorul să înfrunte suprafața lichidului vertical și să trimită unde ultrasonice pentru a măsura timpul de propagare, apoi să controleze traductorul să se rotească la 90°, să se confrunte vertical cu deflectorul standard și să trimită unde ultrasonice pentru a măsura viteza de propagare.

 

 

Frecvența ultrasunetelor

Ecuația de undă a propagării ultrasonice în aer, unde A este amplitudinea recepționată de traductorul ultrasonic, A0 este amplitudinea inițială emisă de traductorul ultrasonic, x este distanța de propagare a undei ultrasonice, ω este frecvența unghiulară a undei ultrasonice și t este unda ultrasonică Timpul de propagare, λ este lungimea de undă a ultrasunetelor, coeficientul ultrasunetelor este formula de atenuare a ultrasunetelor, α=bf2, unde b este constanta dielectrică și f este frecvența ultrasunetelor.

Conform ecuației (3), se poate observa că atunci când distanța de propagare a undelor ultrasonice în aer atinge 0,5α, amplitudinea undelor ultrasonice este atenuată la 1/e față de originală. Cu cât frecvența ultrasonică este mai mare, cu atât atenuarea este mai severă și intervalul de distanță detectabil este mai mic, dar cu cât unghiul de răspândire al undei ultrasonice emise este mai mic, cu atât fasciculul este mai subțire și directivitate mai bună.

propune utilizarea modelării duble a comparatorului pentru a determina marginea frontală a ecoului, dar din cauza incertitudinii mediului de măsurare real, cele două praguri ale comparatorului pot fi setate prea mici sau prea mari, ceea ce duce la o precizie redusă de măsurare. Pe baza acestui articol, acest articol propune utilizarea amplificatorului de câștig programabil PGA112 pentru a îmbunătăți acuratețea captării marginii frontale a primului ecou prin corecții multiple de câștig.

proiectare software

3.1 Idei de proiectare a programului și puncte de atenție aferente

Pentru a obține măsurarea de înaltă precizie a nivelului lichidului, lucrul care urmează să fie finalizat de software:

(1) Generați ultrasunete de 40 kHz;

(2) Măsurarea timpului de propagare a undelor ultrasonice;

(3) Controlați direcția mecanismului de direcție pentru a controla direcția capetelor de transmisie și recepție ale traductorului cu ultrasunete;

(4) Măsurați viteza de propagare a undelor ultrasonice;

(5) Selectați frecvența ultrasonică corespunzătoare ca obiect de testare în funcție de distanță;

(6) Calculați înălțimea nivelului lichidului și efectuați acțiunile corespunzătoare, cum ar fi afișarea datelor. Trenul de impulsuri de 40 kHz al dispozitivului este generat de software; măsurarea timpului de propagare și a vitezei undei ultrasonice și controlul direcției mecanismului de direcție sunt completate de sincronizarea/contorul microcomputerului cu un singur cip.

Când scrieți programul de sistem, luați în considerare conexiunea hardware, dar luați în considerare și setarea spațiului de stocare, utilizarea registrelor și a pinilor de întrerupere externi. În plus, din cauza existenței post-vibrației și a difracției undei refractate, este nevoie de o perioadă de timp pentru a primi ecoul după încheierea transmisiei undelor ultrasonice pentru procesarea corespunzătoare.

Fluxul principal al programului

Sistemul adoptă programare modulară, incluzând modulul programului principal, modulul de măsurare a timpului de propagare cu ultrasunete, modulul de direcție al mecanismului de direcție, modulul de măsurare a vitezei de propagare cu ultrasunete, modulul de calcul al nivelului lichidului, afișarea datelor și altele corespunzătoare. senzor de distanta modul u ltrasonic . După inițializarea sistemului, utilizați instrucțiunea while(1) pentru a obține următoarea buclă infinită: apelați mai întâi modulul de măsurare a timpului de propagare cu ultrasunete și, în același timp, transmiteți ultrasunetul, porniți contorul pentru a începe cronometrarea și opriți întreruperea externă. Întârzie 1 ms, apoi pornește întreruperea externă și așteaptă ecoul. Când este detectat un ecou, ​​opriți cronometrul în programul de întrerupere extern, stocați valoarea cronometrului, iar steagul de recepție a ecoului este setat la 1. Apoi apelați modulul de direcție al mecanismului de direcție, porniți contorul pentru a începe cronometrarea și controlați poziția 1, când lățimea impulsului este mai mare de 2,5 ms, poziția de control 0; când numărul ajunge la 3 ms, contorul este șters pentru a face ca sistemul de direcție să fie de 90°. Apoi apelați modulul de măsurare a vitezei de propagare cu ultrasunete și calculați viteza sunetului prin distanța fixă ​​a deflectorului standard. În modulul de direcție al mecanismului de direcție, setați lățimea impulsului la 1,5 ms pentru a face ca mecanismul de direcție să se rotească la 0°. În cele din urmă, microcontrolerul apelează programul de calcul al nivelului de lichid și efectuează acțiuni corespunzătoare, cum ar fi afișarea datelor.

Rezultate experimentale și analize

Acest sistem solidifică software-ul de pe microcomputerul STC12C5A60S2 cu un singur cip. Pentru a verifica efectul de măsurare al sistemului de măsurare a nivelului de lichid cu ultrasunete, pentru măsurare a fost selectat un rezervor de apă cu un debit relativ stabil în aer liber, iar nivelul apei a fost modificat prin controlul supapei. Sistemul a fost instalat la 7 m de fundul rezervorului. Metoda de luare a mediei a 3 măsurători este adoptată pentru a reduce eroarea aleatorie a sistemului.

Rezultatele măsurătorii ale este Traductorul ultrasonic de distanță comparat cu datele de măsurare a manometrului de apă, așa cum se arată în Tabelul 1. Conform măsurătorilor experimentale și analizei erorilor, sistemul are o zonă oarbă de măsurare de 30 mm, iar eroarea de măsurare este controlată practic la 0,4%, realizând un interval de înaltă precizie, care poate satisface nevoile de măsurare în producția industrială și agricolă.

Observații finale

În sistemul de măsurare a nivelului de lichid cu ultrasunete, bazat pe analiza completă a cauzelor , Senzor cu traductor ultrasonic pentru măsurarea vitezei de propagare a ultrasunetelor, în funcție de influența factorilor de mediu și luarea în considerare a problemelor de cost, se propune utilizarea unui mecanism de direcție pentru a controla direcția traductorului cu ultrasunete pentru a realiza Metoda de corecție a compensației deflectoare care economisește costuri, simplifică proiectarea și ia în considerare pe deplin factorii de impact asupra mediului este o metodă și măsura tehnică relevantă a nivelului lichid în literatura de specialitate nu a fost menționată în literatura de specialitate. Pentru capturarea precisă a primei margini frontale a ecoului ultrasonic, este adoptată o metodă programabilă a câștigului pentru a îmbunătăți captarea primei margini frontale a ecoului, îmbunătățind astfel acuratețea distanței. În aplicațiile industriale și agricole cu tema economisirii energiei, protecției mediului și simplității, această metodă îmbunătățită a devenit o idee nouă pentru măsurarea nivelului cu ultrasunete, cu avantajele sale unice.