Princípio da medição de distância ultra-sônica e sistema de medição de nível de líquido de alta precisão

Medição de distância ultra-sônicasensorTem uma série de vantagens, mas há muitos fatores que afetam a precisão da medição, por isso é difícil alcançar maior precisão. Com base no princípio da medição de distância ultra-sônica, da temperatura e do programa de compensação de umidadede transdutor ultra-sônico.é solteiro, que não pode atingir a medição de distância de alta precisão em um ambiente mutável e dura, e um programa padrão de compensação de defletor para transdutores ultra-sônicos duplos.O custo é alto e não pode ser amplamente aplicado a defeitos em vários campos. Um único esquema padrão de compensação de defletordopIezoelétrico U.ltrasonic.sensoré projetado que usa uma engrenagem de direção para controlar a direção do transdutor ultrassônico. Em resposta à exigência de que a primeira frente de eco não pode ser capturada com precisão, é proposto um amplificador de ganho programável para capturar a frente da frente do eco em diferentes distâncias. Os resultados experimentais mostram que no intervalo de 7 m, quando o ar é usado como meio de propagação e a superfície reflexiva é água com boas propriedades de emissão, o erro de medição é controlado em 0,4%. Este método melhorado pode alcançar de baixo custo sob o ambiente severo e mutável.

introdução

Atualmente, existem muitos métodos de medição de nível de líquido, como medição de nível de flutuação, medição de nível assistido por pressão de entrada, medição de nível de radar de microondas, medição de nível infravermelho, medição de nível de laser e medição de nível ultra-sônico. Entre eles, o sensor de pressãoérepresentado por medição de contato,queserá contaminado quando usado em cenas, como sedimentos pesados ​​e, em seguida, causar grandes erros. Para sistemas que vão para contato, a medição de nível de líquido de radar de microondas é tecnicamente difícil e dispendiosa; A medição de nível de líquido infravermelho é baixa e fácil de implementar, mas tem uma má diretividade e baixa precisão; Enquanto a medição do nível de líquido ultra-sônico pode ser feita semcontando a superfície líquida,queevita a influência da poluição líquida e à corrosão no equipamento de medição,istoNão está sujeito a luz, fumaça, interferência eletromagnética, e tem as vantagens de alta resolução, estrutura simples do sistema, instalação conveniente e baixo custo.

Os métodos de variamento ultra-sônico incluem principalmente o método de detecção de fase, método de detecção de amplitude de onda acústica e método de detecção de tempo de trânsito. Embora o método de detecção de fase tenha alta precisão, o intervalo de medição é limitado, por isso é menos aplicado; O método de detecção de amplitude de ondas acústicas tem baixa precisão e é facilmente afetado por ondas refletidas; Enquanto o método de tempo de trânsito é entre os dois primeiros métodos, com maior precisão e medição, ele tem uma ampla gama e é amplamente utilizado.

Nas aplicações práticas, o desenho do sistema de alcance tem uma grande influência na precisão abrangente. Portanto, analisando o princípio de funcionamento e o processo de variação ultra-sônica, melhorando os métodos e métodos de variação e melhoria da precisão do ultra-sônicotransdutor.atraiu mais e mais atenção. De acordo com o ambiente específico do sistema de alcance, o método de melhorar a precisão é ligeiramente diferente. Este artigo concentra-se na redução da influência do ambiente externo, a escolha de ultra-sônicatransdutor écombinado com a realização do sistema específico, para melhorar a precisão da medição do nível ultrassônico.

Princípio daultrasonic.rangel

Ondas ultra-sônicas usadas para medição de distância são geralmente geradas pelo efeito piezoelétrico da cerâmica piezoelétrica. Este sensor cerâmico piezoelétrico tem duas bolachas piezoelétricas e uma placa de ressonância. Quando a frequência do sinal de impulso externo de dois níveis é igual à da bolacha piezoeléctrico inerente Na frequência de oscilação, a pastilha piezoeléctrica irá ressonar e conduzir a placa de ressonância a vibrar, gerando assim ondas de ultra-sons; Quando a placa de ressonância recebe ondas ultra-sônicas, ele pressionará a bolacha piezoelétrica para vibrar e converter energia mecânica em sinais elétricos.

O princípio do ultra-sônico que vaitransdutor.é mostrado. Usando a velocidade de propagação conhecida v de ondas ultra-sônicas no ar, o transdutor ultrassônico emite ondas ultra-sônicas verticalmente para a superfície líquida, e as ondas sonoras são refletidas na interface entre a superfície da água e o gás e transmitidos para o transdutor ultrassônico, e O tempo de propagação T é registrado, isto é, desde a transmissão do sinal ultrassônico para receber o sinal de eco ultra-sônico, a distância entre o transdutor e o nível de líquido L = 0.5VT e, em seguida, o nível líquido real é:

S = H-L = H-0.5VT (1)

Influenciando fatores e soluções de medição

De acordo com a fórmula (1), os principais fatores que afetam a precisão do variamento ultra-sônico são a velocidade de propagação ultra-sônica e o tempo de propagação ultra-sônica. Além disso, existem freqüências ultra-sônicas que afetam a faixa de medição e a precisão. Aqui, o tempo de propagação não é estudado e discutido, apenas os erros nos outros dois aspectos são estudados e analisados, e soluções razoáveis ​​são propostas.

Velocidade de propagação ultra-sônica

A maior parte da literatura propõe usar o método de correção de temperatura para compensar a velocidade do som, e a fórmula de velocidade de propagação é v = 331,5 + 0,607, onde T é a temperatura (℃). Em seguida, foi proposto um método de compensação dupla de temperatura e umidade, e a fórmula de velocidade de propagação é:

Entre eles, a PW é a pressão parcial do vapor de água, p é a pressão atmosférica, T0 é a temperatura absoluta, T é a temperatura do ar medida, e v é a velocidade de onda ultra-sônica após a compensação. O autor acredita que o ar real não está completamente seco, e a massa molar média e a taxa de calor específica do ar são corrigidas. Embora este método tenha em conta a influência da umidade na velocidade do som, a velocidade de propagação também está relacionada ao meio de propagação, velocidade do vento e pressão sob condições ambientais reais. Outros fatores estão relacionados, para que os resultados da medição ainda tenham grandes erros.

Com base na influência do meio ambiente sobre a velocidade de propagação, alguma literatura propõe um método de medição de referência. O princípio é a utilização de um método de dois canais. Um canal é usado para medir a velocidade de propagação de ultra-sons. Um deflector padrão com uma distância conhecida é colocado na frente do transdutor de ultra-sons. MEASURing.a diferença de tempo da onda de ultra-som de atingir o deflector para calcular a velocidade de propagação da onda de ultra-sons no meio ambiente; o outro canal ainda mede a distância de acordo com o método de medição normal. Portanto, o método de instalação deflectora padrão mostrado é proposto. Este método pode alcançar maior medição de precisão e se adaptar a vários ambientes complexos. No entanto, há requisitos rigorosos para a instalação de defletores padrão. Portanto, o cálculo correspondente é o dobro.tele mapa posição de montagem do transdutor de ultra-sons é complicado, e a incerteza do ambiente real pode fazer com que a onda de ultra-sons para atingir o deflector para produzir ondas de ultra-sons inúteis através de múltiplas reflexões, o que afecta a precisão da medição. Portanto, um transdutor de ultra-som dupla é proposto.Um é utilizado para medir a velocidade de propagação, e o outro é utilizado para medir o tempo de propagação, sem afectar o outro. Embora este método reduz a complexidade computacional, elimina ondas ultra-sônicas inúteis, e melhora a precisão de medição, o custo dos dois transdutores é relativamente grande, o que não é favorável à divulgação.

Com base na investigação e análise acima, este documento propõe um método de utilização de um aparelho de governo para controlar a direcção de um único transdutor de ultra-sons, que não só tem em conta os factores que afectam a velocidade de propagação, mas também reduz o custo, o que é benéfico a popularização em vários campos. o deflector padrão é colocado na vertical e colocado na mesma linha horizontal, tal como o transdutor de ultra-sons. A distância entre os dois é fixa e maior que a zona cega do transdutor de ultra-sons; os controlos de direcção o transdutor de ultra-som Na direcção, o microcomputador de um único chip envia instruções para fazer a caixa de direcção controlar o transdutor a face da superfície do líquido verticalmente, e enviar ondas de ultra-sons para medir o tempo de propagação, em seguida, controlar o transdutor de rotação 90 °, com a face do deflector padrão verticalmente, e enviar ondas de ultra-sons para medir a velocidade de propagação.

Frequência ultra-sônica.

A equação de propagação ultra-sônica no ar, onde uma é a amplitude recebida pelo transdutor ultra-sônico, A0 é a amplitude inicial emitida pelo transdutor ultrassônico, X é a distância de propagação da onda ultrassônica, Ω é a frequência angular da ultra-sônica Onda, e T é o tempo de propagação de ondas ultra-sônicas, λ é o comprimento de onda de ultrassom, α é o coeficiente de ultra-som, a fórmula é α = bf2, onde B é a constante dielétrica e f é a frequência de ultra-som.

De acordo com a equação (3), pode-se ver que, quando a distância de propagação das ondas ultra-sônicas no ar atinge 0.5α, a amplitude de ondas ultra-sônicas é atenuada para 1 / e do original. Quanto maior a frequência ultra-sônica, quanto mais grave a atenuação e menor a faixa de distância detectável, mas quanto menor o ângulo de propagação da onda ultra-sônica emitida, o fino do feixe e melhor a diretividade.

Propõe o uso do dual comparador moldando para determinar a borda frontal do eco, mas devido à incerteza do ambiente de medição real, os dois limiares comparadores podem ser muito pequenos ou muito grandes, resultando em precisão de medição reduzida. Com base nisso, este artigo propõe usar o amplificador de ganho programável PGA112 para melhorar a precisão de capturar a borda frontal do primeiro eco através de múltiplas correções de ganho.

Design de software

3.1 Idéias de design de programa e pontos de atenção relacionados

Para obter medição de nível de líquido de alta precisão, o trabalho a ser concluído pelo software:

(1) gerar 40 kHz ultra-som;

(2) medir o tempo de propagação de ondas ultra-sônicas;

(3) controlar a direção da engrenagem de direção para controlar a direção das extremidades de transmissão e recebimento do transdutor ultrassônico;

(4) medir a velocidade de propagação de ondas ultra-sônicas;

(5) Selecione a frequência ultra-sônica apropriada como objeto de teste de acordo com a distância;

(6) Calcule a altura do nível de líquido e execute ações correspondentes, como exibição de dados. O trem de pulso de 40 kHz do dispositivo é gerado por software; A medição do tempo de propagação e velocidade da onda ultrassônica, e o controle de direção da engrenagem de direção é preenchido pelo timing / contador do microcomputador de chip único.

Ao escrever o programa do sistema, considere a conexão de hardware, mas também considere definir o espaço de armazenamento, o uso de registros e pinos externos de interrupção. Além disso, devido à existência de difração de ondas após vibração e refratada, leva um período de tempo para receber o eco após o final da transmissão de ondas ultra-sônicas para processamento correspondente.

Fluxo do programa principal

O sistema adota programação modular, incluindo o módulo principal do programa, módulo de medição de tempo de propagação ultraagação, módulo de direção de engrenagens de direção, módulo de medição de velocidade de propagação ultra-sônica, módulo de cálculo de nível de líquido, exibição de dados e outros correspondentesuSensor de distância do módulo ltrasonic. Depois que o sistema for inicializado, use a instrução Enquanto (1) para atingir o seguinte loop infinito: primeiro chamar o módulo de medição de tempo de propagação ultra-sônica, e ao mesmo tempo transmitir o ultrassônico, ligue o contador para iniciar o tempo e desligar o interrupção externa. Atraso 1 ms, ligue a interrupção externa e aguarde o eco. Quando um eco é detectado, pare o temporizador no programa de interrupção externa, armazene o valor do temporizador, e o sinalizador de recepção do eco é definido como 1. Em seguida, chame o módulo de direção da engrenagem de direção, ligue o contador para iniciar o tempo, e a posição de controle 1, quando a largura do pulso é maior que 2,5 ms, a posição de controle 0; Quando a contagem atinge 3 ms, o contador é liberado para tornar a engrenagem de direção 90 °. Em seguida, ligue para o módulo de medição de velocidade de propagação ultra-sônica e calcule a velocidade do som através da distância fixa do defletor padrão. No módulo de direção da engrenagem de direção, defina a largura do pulso para 1,5 ms para tornar a engrenagem de direção para 0 °. Finalmente, o microcontrolador chama o programa de cálculo de nível de líquido e executa ações correspondentes, como exibição de dados.

Resultados Experimentais e Análise

Este sistema solidifica o software no microcomputador único de chips STC12C5A60S2. Para verificar o efeito de medição do sistema de medição de nível líquido ultra-sônico, um tanque de água com uma vazão relativamente estável foi selecionado ao ar livre para medição, e o nível da água foi alterado controlando a válvula. O sistema foi instalado a 7 m da parte inferior do tanque. O método de tirar a média de 3 medições é adotado para reduzir o erro aleatório do sistema.

Os resultados da mediçãodoutransdutor de distância ltrasonic. são comparados com os dados de medição do calibre de água, conforme mostrado na Tabela 1. De acordo com a medição experimental e análise de erros, o sistema possui uma zona cega de medição de 30 mm e o erro de medição é basicamente controlado em 0,4%, alcançando alta precisão , que pode atender às necessidades de medição na produção industrial e agrícola.

Observações concluídas

No sistema de medição de nível líquido ultra-sônico, com base na análise completa das causas douSensor do transdutor LTrasonic., para a medição da velocidade de propagação ultra-sônica, de acordo com a influência de fatores ambientais e a consideração de questões de custo, propõe-se usar uma engrenagem de direção para controlar a direção do transdutor ultra-sônico para atingir o método de correção de compensação de deflação que economiza custos Simplifica o desenho e considera totalmente os fatores de impacto ambiental é um método e meios técnicos que não foram mencionados na literatura relevante de medição de nível de líquido. Para a captura precisa da primeira borda dianteira do eco ultra-sônico, um método programável ganho é adotado para melhorar a captura da primeira borda dianteira de eco, melhorando assim a precisão de alcance. Nas aplicações industriais e agrícolas com o tema da economia de energia, proteção ambiental e simplicidade, esse método melhorado tornou-se uma nova ideia para a medição do nível ultrassônico com suas vantagens únicas.