principen för ultraljudsavståndsmätning och vätskenivåmätningssystem med hög precision

Ultraljudsavståndsmätningssensor  .  har en rad fördelar, men det finns många faktorer som påverkar mätnoggrannheten, så det är svårt att uppnå högre noggrannhet Baserat på principen för ultraljudsavståndsmätning, är temperatur- och fuktkompensationsprogram  för ultraljudsgivare  enkel, vilket inte kan uppnå högprecisionsavståndsmätning i en föränderlig och hård miljö, och ett standardbaffelkompensationsprogram för dubbla ultraljudsgivare. .Kostnaden är hög och kan inte tillämpas allmänt på defekter inom olika områden. Ett enda standardsystem för baffelkompensation  på Den p iezoelektriska u ltraljudsgivaren är  sdesignad  som använder en styrväxel för att styra riktningen för ultraljudsgivaren. Som svar på kravet att den första ekofronten inte kan fångas exakt, föreslås en programmerbar förstärkningsförstärkare för att fånga ekots returfront på olika avstånd. De experimentella resultaten visar att inom intervallet 7 m, när luft används som utbredningsmedium och den reflekterande ytan är vatten med goda emissionsegenskaper, kontrolleras mätfelet inom 0,4 %. Denna förbättrade metod kan uppnå låg kostnad under den hårda och föränderliga miljön.

 

introduktion

För närvarande finns det många metoder för vätskenivåmätning, såsom flytnivåmätning, ingångstryckassisterad nivåmätning, mikrovågsradarnivåmätning, infraröd nivåmätning, lasernivåmätning och ultraljudsnivåmätning. Bland dem trycksensorn  representeras  av kontaktmätning , som kommer att förorenas när den används i scener som tunga sediment och sedan orsaka stora fel. För beröringsfria avståndssystem är mätning av mikrovågsradarvätskenivån tekniskt svår och kostsam; infraröd vätskenivåmätning är låg i kostnad och lätt att implementera, men har dålig riktning och låg noggrannhet; medan ultraljudsmätning av vätskenivå kan göras utan att påverka vätskeytan , vilket  undviker påverkan av vätskeföroreningar och korrosion på mätutrustningen, är den  inte utsatt för ljus, rök, elektromagnetisk störning och har fördelarna med hög upplösning, enkel systemstruktur, bekväm installation och låg kostnad.

Ultraljudsavståndsbestämningsmetoder inkluderar huvudsakligen fasdetekteringsmetod, akustisk vågamplituddetekteringsmetod och transittidsdetekteringsmetod. Även om fasdetekteringsmetoden har hög noggrannhet är mätområdet begränsat, så det tillämpas mindre; den akustiska vågamplituddetekteringsmetoden har låg noggrannhet och påverkas lätt av reflekterade vågor; medan transittidsmetoden är mellan de två första metoderna, med högre noggrannhet och mätning Den har ett brett intervall och används flitigt.

I praktiska tillämpningar har utformningen av avståndssystemet stor inverkan på avståndsnoggrannheten. Därför har analys av arbetsprincipen och processen för ultraljudsavstånd, förbättring av metoder och metoder för avstånd och förbättring av noggrannheten hos ultraljudsavståndsgivare väckt mer och mer uppmärksamhet. Enligt den specifika miljön för avståndssystemet är metoden för att förbättra noggrannheten något annorlunda. Den här artikeln fokuserar på att minska påverkan av den yttre miljön, valet av ultraljudsgivare kombineras med förverkligandet av det specifika systemet, för att förbättra noggrannheten i ultraljudsnivåmätning.

 

Principen för u ltrasonisk r anging

Ultraljudsvågor som används för avståndsmätning genereras vanligtvis av den piezoelektriska effekten av piezoelektrisk keramik. Denna piezoelektriska keramiska sensor har två piezoelektriska wafers och en resonansplatta. När frekvensen för den externa pulssignalen med två nivåer är lika med den inneboende piezoelektriska skivan. Vid oscillationsfrekvensen kommer den piezoelektriska skivan att resonera och driva resonansplattan att vibrera, och därigenom generera ultraljudsvågor; när resonansplattan tar emot ultraljudsvågor kommer den att trycka på den piezoelektriska skivan för att vibrera och omvandla mekanisk energi till elektriska signaler.

Principen för ultraljudsavståndsgivare  visas  . Med hjälp av den kända utbredningshastigheten v för ultraljudsvågor i luften sänder ultraljudsomvandlaren ut ultraljudsvågor vertikalt till vätskeytan, och ljudvågorna reflekteras i gränssnittet mellan vattenytan och gasen och sänds tillbaka till ultraljudsgivaren, och utbredningstiden t registreras, det vill säga från tiden från sändning av ultraljudssignalen till ekot av ultraljudssignalen. mellan givaren och vätskenivån L=0,5vt, och då är den faktiska vätskenivån:

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

 

Påverka mätfaktorer och lösningar

Enligt formel (1) är de viktigaste faktorerna som påverkar noggrannheten hos ultraljudsavståndet ultraljudsutbredningshastigheten och ultraljudsutbredningstiden. Dessutom finns det ultraljudsfrekvenser som påverkar mätområdet och noggrannheten. Här studeras och diskuteras inte förökningstiden, bara felen i de andra två aspekterna studeras och analyseras, och rimliga lösningar föreslås.

 

Ultraljudsutbredningshastighet

Det mesta av litteraturen föreslår att man använder temperaturkorrigeringsmetoden för att kompensera ljudets hastighet, och formeln för fortplantningshastigheten är v=331,5+0,607T, där T är temperaturen (℃). Sedan föreslogs en dubbel kompensationsmetod för temperatur och luftfuktighet, och formeln för fortplantningshastigheten är:

Bland dem är pw partialtrycket för vattenånga, p är atmosfärstrycket, T0 är den absoluta temperaturen, t är den uppmätta lufttemperaturen och v är ultraljudsvågens hastighet efter kompensation. Författaren anser att den faktiska luften inte är helt torr, och luftens genomsnittliga molmassa och specifika värmeförhållande korrigeras. Även om denna metod tar hänsyn till fuktens inverkan på ljudets hastighet, är utbredningshastigheten också relaterad till utbredningsmediet, vindhastigheten och trycket under faktiska miljöförhållanden. Andra faktorer är relaterade, så mätresultaten har fortfarande stora fel.

 

Baserat på miljöns påverkan på fortplantningshastigheten föreslår en del litteratur en benchmarkmätmetod. Principen är att använda en tvåkanalsmetod. En kanal används för att mäta ultraljudsutbredningshastigheten. En standardbaffel med känt avstånd placeras framför ultraljudsgivaren. Mätning av  tidsskillnaden för den ultraljudsvåg som når baffeln för att beräkna utbredningshastigheten för ultraljudsvågen i omgivningen; den andra kanalen mäter fortfarande avståndet enligt den normala mätmetoden. Därför föreslås den visade standardmetoden för installation av baffel. Denna metod kan uppnå högre noggrannhetsmätning och anpassa sig till olika komplexa miljöer. Det finns dock strikta krav för installation av standardbafflar. Därför är motsvarande beräkning dubbelt så att installationspositionskartan för ultraljudsgivaren är komplicerad, och osäkerheten i den faktiska miljön kan göra att ultraljudsvågen når baffeln för att producera värdelösa ultraljudsvågor genom flera reflektioner, vilket påverkar mätnoggrannheten. Därför föreslås en dubbel ultraljudsgivare. .En används för att mäta utbredningshastigheten och den andra används för att mäta utbredningstiden utan att påverka varandra. Även om denna metod minskar beräkningskomplexiteten, eliminerar värdelösa ultraljudsvågor och förbättrar mätnoggrannheten, är kostnaden för de två omvandlarna relativt stor, vilket inte bidrar till popularisering.

 

Baserat på ovanstående forskning och analys föreslår detta dokument en metod för att använda en styrväxel för att styra riktningen för en enda ultraljudsgivare, som inte bara tar hänsyn till de faktorer som påverkar utbredningshastigheten, utan också minskar kostnaden, vilket är fördelaktigt för popularisering inom olika områden. standardbaffeln placeras vertikalt och placeras på samma horisontella linje som ultraljudsgivaren. Avståndet mellan de två är fast och större än den blinda zonen på ultraljudsgivaren; styrväxeln styr ultraljudsgivaren I riktningen skickar enchipsmikrodatorn instruktioner för att få styrväxeln att styra givaren så att den är vänd mot vätskeytan vertikalt, och skicka ultraljudsvågor för att mäta utbredningstiden, styr sedan givaren att rotera 90°, vänd mot standardbaffeln vertikalt och skicka ultraljudsvågor för att mäta utbredningshastigheten.

 

 

Ultraljudsfrekvens

Vågekvationen för ultraljudsutbredning i luften, där A är amplituden som tas emot av ultraljudsgivaren, A0 är den initiala amplituden som emitteras av ultraljudsgivaren, x är utbredningsavståndet för ultraljudsvågen, ω är vinkelfrekvensen för ultraljudsvågen, och vågen är utbredningstiden för ultraljudsvågen, och vågen är utbredningstiden för ultraljudsvågen. ultraljud, α är dämpningskoefficienten för ultraljud, formeln är α=bf2, där b är dielektricitetskonstanten och f är ultraljudsfrekvensen.

Enligt ekvation (3) kan man se att när utbredningsavståndet för ultraljudsvågor i luften når 0,5α, dämpas amplituden för ultraljudsvågorna till 1/e av originalet. Ju högre ultraljudsfrekvensen är, desto kraftigare dämpning och desto mindre detekterbart avståndsområde, men ju mindre spridningsvinkeln för den utsända ultraljudsvågen är, desto tunnare är strålen och desto bättre riktningsförmåga.

föreslår användning av dubbel komparatorformning för att bestämma ekots framkant, men på grund av osäkerheten i den faktiska mätmiljön kan de två komparatortrösklarna sättas för små eller för stora, vilket resulterar i minskad mätnoggrannhet. Baserat på detta föreslår den här artikeln att använda den programmerbara förstärkningsförstärkaren PGA112 för att förbättra noggrannheten för att fånga framkanten av det första ekot genom multipla förstärkningskorrigeringar.

mjukvarudesign

3.1 Programdesignidéer och relaterade uppmärksamhetspunkter

För att uppnå hög precision vätskenivåmätning, arbetet som ska slutföras av programvaran:

(1) Generera 40 kHz ultraljud;

(2) Mätning av utbredningstiden för ultraljudsvågor;

(3) Styr styrningen av styrväxeln för att styra riktningen för ultraljudsgivarens sändande och mottagande ändar;

(4) Mät utbredningshastigheten för ultraljudsvågor;

(5) Välj lämplig ultraljudsfrekvens som testobjekt enligt avståndet;

(6) Beräkna höjden på vätskenivån och utför motsvarande åtgärder såsom datavisning. Enhetens 40 kHz pulståg genereras av programvara; mätningen av utbredningstiden och hastigheten för ultraljudsvågen, och styrningen av styrväxeln fullbordas av tidtagningen/räknaren för mikrodatorn med en chip.

När du skriver systemprogrammet, överväg hårdvaruanslutningen, men överväg också att ställa in lagringsutrymmet, användningen av register och externa avbrottsstift. På grund av förekomsten av eftervibration och brytvågsdiffraktion tar det dessutom en tidsperiod att ta emot ekot efter slutet av överföringen av ultraljudsvågor för motsvarande bearbetning.

Huvudprogramflöde

Systemet antar modulär programmering, inklusive huvudprogrammodul, ultraljudsutbredningstidsmätningsmodul, styrväxelstyrmodul, ultraljudsutbredningshastighetsmätningsmodul, vätskenivåberäkningsmodul, datadisplay och annan motsvarande u ltraljudsmodul avståndsgivare . Efter att systemet har initierats, använd while(1)-satsen för att uppnå följande oändliga loop: anrop först modulen för mätning av ultraljudsutbredningstid och sänd samtidigt ultraljudet, slå på räknaren för att starta timing och stäng av det externa avbrottet. Fördröj 1 ms, slå sedan på det externa avbrottet och vänta på ekot. När ett eko detekteras, stoppa timern i det externa avbrottsprogrammet, lagra värdet på timern, och ekomottagningsflaggan ställs in på 1. Ring sedan styrväxelns styrmodul, slå på räknaren för att starta tidtagningen och styr position 1, när pulsbredden är större än 2,5 ms, kontrollposition 0; när räkningen når 3 ms nollställs räknaren för att göra styrväxeln 90°. Ring sedan upp ultraljudsutbredningshastighetsmätningsmodulen och beräkna ljudhastigheten genom det fasta avståndet för standardbaffeln. I styrväxelns styrmodul ställer du in pulsbredden på 1,5 ms för att få styrväxeln att vrida sig till 0°. Slutligen anropar mikrokontrollern vätskenivåberäkningsprogrammet och utför motsvarande åtgärder såsom datavisning.

Experimentella resultat och analys

Detta system stelnar mjukvaran på STC12C5A60S2 enchips mikrodator. För att verifiera mäteffekten av ultraljudsvätskenivåmätningssystemet valdes en vattentank med relativt stabil flödeshastighet utomhus för mätning och vattennivån ändrades genom att styra ventilen. Systemet installerades 7 m från botten av tanken. Metoden att ta medelvärdet av 3 mätningar används för att minska systemets slumpmässiga fel.

Mätresultaten av u ltraljudsavståndsgivare jämförs med mätdata för vattenmätaren, som visas i tabell 1. Enligt experimentell mätning och felanalys har systemet en mätningsblindzon på 30 mm, och mätfelet kontrolleras i princip till 0,4 %, vilket uppnår hög precisionsavstånd, vilket kan möta mätbehoven inom industri- och jordbruksproduktion.

Avslutande kommentarer

I ultraljudssystemet för vätskenivåmätning, baserat på den fullständiga analysen av orsakerna till u ltraljudsgivare , för mätning av ultraljudsutbredningshastigheten, i enlighet med påverkan av miljöfaktorer och hänsyn till kostnadsfrågor, föreslås det att använda en styrväxel för att styra riktningen på ultraljudsgivaren för att uppnå Bafflekompensationskorrigeringsmetoden som sparar kostnader, förenklar konstruktionen och fullt ut tar hänsyn till nämnd metod för vätskepåverkan i litteraturen som inte är relevant för vätskenivån i litteraturen. För den exakta infångningen av den första ultraljudsekots framkant, används en förstärkningsprogrammerbar metod för att förbättra infångningen av den första ekots framkant, och därigenom förbättra noggrannheten i avståndsavståndet. I industri- och jordbruksapplikationer med temat energibesparing, miljöskydd och enkelhet har denna förbättrade metod blivit en ny idé för ultraljudsnivåmätning med dess unika fördelar.