принцип ультразвукового вимірювання відстані та високоточна система вимірювання рівня рідини

Ультразвуковий вимірювання відстані  датчик  має низку переваг, але існує багато факторів, які впливають на точність вимірювання, тому важко досягти вищої точності. Базуючись на принципі ультразвукового вимірювання відстані, програма компенсації температури та вологості  ультразвукового перетворювача  є єдиною, яка не може досягти високоточного вимірювання відстані в мінливих і суворих умовах, і стандартна програма компенсації перегородок для подвійних ультразвукових перетворювачів. .Вартість висока і не може бути широко застосована до дефектів у різних областях. Єдина стандартна схема компенсації  перегородок p єзоелектричний ультразвуковий  sдатчик  розроблений, який використовує механізм керування для керування напрямком ультразвукового перетворювача. У відповідь на вимогу, що перший фронт луни не може бути точно захоплений, пропонується програмований підсилювач посилення для захоплення зворотного фронту луни на різних відстанях. Результати експерименту показують, що в діапазоні 7 м, коли повітря використовується як середовище розповсюдження, а поверхня, що відбиває, є водою з хорошими емісійними властивостями, похибка вимірювання контролюється в межах 0,4%. Цей вдосконалений метод може досягти низької вартості в суворих і мінливих умовах.

 

вступ

В даний час існує багато методів вимірювання рівня рідини, таких як вимірювання рівня поплавком, вимірювання рівня за допомогою вхідного тиску, вимірювання рівня мікрохвильовим радаром, інфрачервоне вимірювання рівня, лазерне вимірювання рівня та ультразвукове вимірювання рівня. Серед них датчик тиску  представлений  контактним вимірюванням , яке буде забруднено під час використання в таких сценах, як сильний осад, і спричинить значні похибки. Для безконтактних систем визначення дальності вимірювання рівня рідини мікрохвильовим радаром є технічно складним і дорогим; інфрачервоне вимірювання рівня рідини є дешевим і простим у реалізації, але має погану спрямованість і низьку точність; У той час як ультразвукове вимірювання рівня рідини можна проводити без контакту з поверхнею рідини , що  дозволяє уникнути впливу забруднення рідини та корозії на вимірювальне обладнання, воно  не піддається впливу світла, диму, електромагнітних перешкод і має такі переваги, як висока роздільна здатність, проста структура системи, зручна установка та низька вартість.

Ультразвукові методи визначення дальності в основному включають метод фазового виявлення, метод виявлення амплітуди акустичної хвилі та метод виявлення часу проходження. Хоча метод визначення фази має високу точність, діапазон вимірювань обмежений, тому він менш застосовуваний; метод визначення амплітуди акустичної хвилі має низьку точність і легко піддається впливу відбитих хвиль; тоді як метод часу проходження знаходиться між першими двома методами, з вищою точністю та вимірюванням. Він має широкий діапазон і широко використовується.

У практичних застосуваннях конструкція системи вимірювання дальності має великий вплив на точність визначення дальності. Тому аналіз принципу роботи та процесу ультразвукового вимірювання дальності, удосконалення методів і способів вимірювання дальності та підвищення точності ультразвукового датчика дальності привертає все більше уваги. Відповідно до конкретного середовища системи визначення дальності метод підвищення точності дещо відрізняється. Ця стаття присвячена зменшенню впливу зовнішнього середовища, вибір ультразвукового перетворювача поєднується з реалізацією конкретної системи, щоб підвищити точність ультразвукового вимірювання рівня.

 

Принцип ультразвукового ​ радіозвуку​

Ультразвукові хвилі, які використовуються для вимірювання відстані, зазвичай генеруються п'єзоелектричним ефектом п'єзоелектричної кераміки. Цей п’єзоелектричний керамічний датчик має дві п’єзоелектричні пластини та резонансну пластину. Коли частота дворівневого зовнішнього імпульсного сигналу дорівнює властивій п’єзоелектричній пластині. На частоті коливань п’єзоелектрична пластина буде резонувати та змушувати резонансну пластину вібрувати, таким чином генеруючи ультразвукові хвилі; коли резонансна пластина отримує ультразвукові хвилі, вона тисне на п’єзоелектричну пластину, щоб вібрувати та перетворювати механічну енергію в електричні сигнали.

принцип дії ультразвукового  датчика дальності. Використовуючи відому швидкість поширення ультразвукових хвиль у повітрі v, ультразвуковий перетворювач випромінює ультразвукові хвилі вертикально до поверхні рідини, а звукові хвилі відбиваються на межі між поверхнею води та газом і передаються назад до ультразвукового перетворювача, а час поширення t записується, тобто від часу від передачі ультразвукового сигналу до отримання ультразвукового ехо-сигналу, відстані між перетворювач і рівень рідини L=0,5vt, і тоді фактичний рівень рідини: Показано

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

 

Фактори, що впливають на вимірювання, і розчини

Згідно з формулою (1), основними факторами, які впливають на точність ультразвукової локації, є швидкість поширення ультразвуку та час поширення ультразвуку. Крім того, існують ультразвукові частоти, які впливають на діапазон і точність вимірювання. Тут час розповсюдження не вивчається та не обговорюється, вивчаються та аналізуються лише помилки в двох інших аспектах, а також пропонуються розумні рішення.

 

Швидкість поширення ультразвуку

Більшість літератури пропонує використовувати метод температурної корекції для компенсації швидкості звуку, а формула швидкості розповсюдження має вигляд v=331,5+0,607T, де T — температура (℃). Потім був запропонований метод подвійної компенсації температури та вологості, а формула швидкості поширення така:

Серед них pw — парціальний тиск водяної пари, p — атмосферний тиск, T0 — абсолютна температура, t — виміряна температура повітря, v — швидкість ультразвукової хвилі після компенсації. Автор вважає, що фактичне повітря не є повністю сухим, а середня молярна маса і питома теплоємність повітря виправлені. Хоча цей метод враховує вплив вологості на швидкість звуку, швидкість розповсюдження також пов’язана із середовищем розповсюдження, швидкістю вітру та тиском у реальних умовах навколишнього середовища. Інші фактори пов'язані, тому результати вимірювань все ще мають великі похибки.

 

Грунтуючись на впливі навколишнього середовища на швидкість розповсюдження, у деякій літературі пропонується еталонний метод вимірювання. Принцип полягає у використанні двоканального методу. Один канал використовується для вимірювання швидкості поширення ультразвуку. Стандартна перегородка з відомою відстанню розміщується перед ультразвуковим перетворювачем. Вимірювання різниці в часі ультразвукової хвилі ,  яка досягає перегородки, для обчислення швидкості поширення ультразвукової хвилі в навколишньому середовищі; інший канал усе ще вимірює відстань відповідно до звичайного методу вимірювання. Тому пропонується показаний стандартний метод встановлення перегородки. Цей метод дозволяє досягти більш високої точності вимірювань і адаптуватися до різних складних середовищ. Однак існують суворі вимоги до установки стандартних перегородок. Таким чином, відповідний розрахунок є подвійним . Карта розташування ультразвукового перетворювача є складною, і невизначеність фактичного середовища може призвести до того, що ультразвукова хвиля досягне перегородки, утворюючи марні ультразвукові хвилі через багаторазове відображення, що впливає на точність вимірювання. Тому запропоновано подвійний ультразвуковий перетворювач. .Один використовується для вимірювання швидкості поширення, а інший використовується для вимірювання часу поширення, не впливаючи один на одного. Незважаючи на те, що цей метод зменшує обчислювальну складність, усуває непотрібні ультразвукові хвилі та покращує точність вимірювань, вартість двох перетворювачів є відносно високою, що не сприяє популяризації.

 

На основі вищезазначених досліджень та аналізу в цій статті пропонується метод використання рульового механізму для керування напрямком одного ультразвукового перетворювача, який не тільки враховує фактори, що впливають на швидкість розповсюдження, але й знижує вартість, що є корисним для популяризації в різних областях. Стандартна перегородка розташовується вертикально і розміщується на одній горизонтальній лінії з ультразвуковим перетворювачем. Відстань між ними є фіксованою та перевищує сліпу зону ультразвукового перетворювача; рульовий механізм керує ультразвуковим перетворювачем У напрямку однокристальний мікрокомп’ютер надсилає інструкції, щоб змусити рульовий механізм керувати перетворювачем вертикально до поверхні рідини, і надсилати ультразвукові хвилі для вимірювання часу розповсюдження, а потім контролювати обертання перетворювача на 90°, дивитися на стандартну перегородку вертикально та надсилати ультразвукові хвилі для вимірювання швидкості розповсюдження.

 

 

Ультразвукова частота

Рівняння хвилі поширення ультразвуку в повітрі, де A — амплітуда, отримана ультразвуковим перетворювачем, A0 — початкова амплітуда, випромінювана ультразвуковим перетворювачем, x — відстань поширення ультразвукової хвилі, ω — кутова частота ультразвукової хвилі, t — час поширення ультразвукової хвилі, λ — довжина хвилі ультразвуку, α — коефіцієнт ослаблення ультразвуку, формула α=bf2, де b — діелектрична проникність, f — частота ультразвуку.

Відповідно до рівняння (3) можна побачити, що коли відстань поширення ультразвукових хвиль у повітрі досягає 0,5α, амплітуда ультразвукових хвиль послаблюється до 1/e від початкової. Чим вища частота ультразвуку, тим сильніше загасання і менший діапазон відстані, що визначається, але чим менший кут розповсюдження випромінюваної ультразвукової хвилі, тим тонший промінь і краща спрямованість.

пропонує використання формування подвійного компаратора для визначення переднього краю луни, але через невизначеність фактичного середовища вимірювання два пороги компаратора можуть бути встановлені занадто малими або занадто великими, що призведе до зниження точності вимірювання. Виходячи з цього, у цій статті пропонується використовувати програмований підсилювач PGA112 для підвищення точності захоплення переднього фронту першого ехо-сигналу шляхом багаторазової корекції посилення.

проектування програмного забезпечення

3.1 Ідеї щодо дизайну програми та пов’язані з цим питання

Щоб досягти високоточного вимірювання рівня рідини, робота, яку має виконати програмне забезпечення:

(1) Генерувати ультразвук 40 кГц;

(2) Вимірювання часу поширення ультразвукових хвиль;

(3) Керуйте керуванням рульовим механізмом, щоб керувати напрямком передавального та приймального кінців ультразвукового перетворювача;

(4) Виміряти швидкість поширення ультразвукових хвиль;

(5) Виберіть відповідну ультразвукову частоту як тестовий об’єкт відповідно до відстані;

(6) Обчисліть висоту рівня рідини та виконайте відповідні дії, наприклад відображення даних. Послідовність імпульсів 40 кГц пристрою генерується програмним забезпеченням; вимірювання часу розповсюдження та швидкості ультразвукової хвилі, а також керування рульовим механізмом завершуються синхронізацією/лічильником однокристального мікрокомп’ютера.

Під час написання системної програми враховуйте апаратне підключення, а також враховуйте налаштування простору для зберігання, використання регістрів і зовнішніх контактів переривань. Крім того, через наявність післявібраційної та дифракції заломленої хвилі для отримання відлуння після закінчення передачі ультразвукових хвиль для відповідної обробки потрібен певний період часу.

Основний хід програми

Система приймає модульне програмування, включаючи основний програмний модуль, модуль вимірювання часу розповсюдження ультразвуку, модуль рульового керування, модуль вимірювання швидкості розповсюдження ультразвуку, модуль розрахунку рівня рідини, дисплей даних та інші відповідні u Ультразвуковий модуль датчика відстані . Після ініціалізації системи скористайтеся оператором while(1), щоб отримати наступний нескінченний цикл: спочатку викличте модуль вимірювання часу розповсюдження ультразвуку та одночасно передайте ультразвук, увімкніть лічильник, щоб почати відлік часу, і вимкніть зовнішнє переривання. Затримайте 1 мс, потім увімкніть зовнішнє переривання та дочекайтеся луни. Коли луна виявлена, зупиніть таймер у програмі зовнішнього переривання, збережіть значення таймера, а прапор прийому луни встановіть на 1. Потім викличте модуль керування рульовим механізмом, увімкніть лічильник, щоб почати відлік часу, і контролюйте положення 1, коли ширина імпульсу перевищує 2,5 мс, контролюйте положення 0; коли відлік досягає 3 мс, лічильник обнуляється, щоб рульовий механізм повернувся на 90°. Потім викличте модуль вимірювання швидкості поширення ультразвуку та обчисліть швидкість звуку через фіксовану відстань стандартної перегородки. У модулі керування рульового механізму встановіть ширину імпульсу на 1,5 мс, щоб повернути рульовий механізм на 0°. Нарешті, мікроконтролер викликає програму розрахунку рівня рідини та виконує відповідні дії, такі як відображення даних.

Експериментальні результати та аналіз

Ця система зміцнює програмне забезпечення на однокристальному мікрокомп’ютері STC12C5A60S2. Щоб перевірити ефективність вимірювання ультразвукової системи вимірювання рівня рідини, резервуар для води з відносно стабільною швидкістю потоку був обраний на відкритому повітрі для вимірювання, і рівень води змінювався за допомогою керування клапаном. Система була встановлена ​​на відстані 7 м від дна резервуара. Для зменшення випадкової похибки системи використовується метод середнього 3 вимірювань.

Результати вимірювань u Ультразвуковий перетворювач відстані порівнюється з даними вимірювання водоміру, як показано в таблиці 1. Згідно з експериментальними вимірюваннями та аналізом похибок, система має сліпу зону вимірювання 30 мм, а похибка вимірювання в основному контролюється на рівні 0,4%, що забезпечує високоточне визначення діапазону, яке може задовольнити потреби вимірювань у промисловому та сільськогосподарському виробництві.

Заключні слова

В ультразвуковій системі вимірювання рівня рідини на основі повного аналізу причин виникнення u Датчик ультразвукового перетворювача , для вимірювання швидкості розповсюдження ультразвуку, відповідно до впливу факторів навколишнього середовища та розгляду питань вартості, пропонується використовувати механізм керування для керування напрямком ультразвукового перетворювача, щоб досягти Метод корекції компенсації перегородки, який економить витрати, спрощує конструкцію та повністю враховує фактори впливу на навколишнє середовище, є методом і технічним засобом, який не згадується у відповідній літературі вимірювання рівня рідини. Для точного захоплення першого переднього фронту ультразвукового ехо-сигналу використовується програмований метод підсилення, щоб покращити захоплення першого переднього фронту ехо-сигналу, тим самим підвищуючи точність вимірювання дальності. У промисловості та сільському господарстві з темою енергозбереження, захисту навколишнього середовища та простоти цей вдосконалений метод став новою ідеєю ультразвукового вимірювання рівня з його унікальними перевагами.