Prinzip des Messsystems der Ultraschalldistanzmessung und des hohen Präzisionsflüssigkeitsniveaus

UltraschallabstandsmessungSensorhat eine Reihe von Vorteilen, aber es gibt viele Faktoren, die die Messgenauigkeit beeinflussen. Daher ist es schwierig, eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Basierend auf dem Prinzip des Programms Ultraschall -Distanzmessung, Temperatur und Feuchtigkeitskompensationvon Ultraschallwandlerist Single, die in einer veränderlichen und harten Umgebung keine hohe Präzisionsabstandsmessung und ein Standard-Leitkompensationsprogramm für Dual-Ultraschallwandler erreichen kann.Die Kosten sind hoch und können in verschiedenen Bereichen nicht weit verbreitet werden. Ein einziges Standard -Schalekompensationsschemavonpdhzoelektrisch ultrasonischsEnsorEs wird ausgelegt, das ein Lenkgetriebe verwendet, um die Richtung des Ultraschallwandlers zu steuern. Als Reaktion auf die Anforderung, dass die erste Echo -Front nicht genau erfasst werden kann, wird ein programmierbarer Verstärkerverstärker vorgeschlagen, um die Rückkehrfront des Echos in unterschiedlichen Entfernungen zu erfassen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass im Bereich von 7 m, wenn Luft als Ausbreitungsmedium verwendet wird und die reflektierende Oberfläche Wasser mit guten Emissionseigenschaften ist, der Messfehler innerhalb von 0,4%gesteuert wird. Diese verbesserte Methode kann unter der rauen und veränderlichen Umgebung kostengünstig erreichen.

Einleitung

Gegenwärtig gibt es viele Methoden zur Messung des Flüssigkeitsspiegels, wie z. B. Messung des Float-Levels, Messung des Eingangsdrucks, Messung des Mikrowellenradarspiegels, Messung des Infrarotpegels, Messung des Laserspiegels und Messung des Ultraschallpegels. Unter ihnen der Drucksensoristdargestellt durch Kontaktmessung,diewird in Szenen wie schwerem Sediment kontaminiert und dann große Fehler verursachen. Bei nichtkontakten Sendungssystemen ist die Messung des Mikrowellenradarspiegelspiegels technisch schwierig und kostspielig. Die Messung des Infrarotflüssigkeitsspiegels ist niedrig und leicht zu implementieren, weist jedoch eine schlechte Richtfähigkeit und geringe Genauigkeit auf. Während die Messung des Ultraschallflüssigkeitsspiegels ohne durchgeführt werden kanncOntakting der flüssigen Oberfläche,dievermeidet den Einfluss von Flüssigkeitsverschmutzung und Korrosion auf die Messgeräte,esist nicht Licht, Rauch, elektromagnetische Störungen ausgesetzt und hat die Vorteile von hoher Auflösung, einfacher Systemstruktur, bequemer Installation und niedrigen Kosten.

Zu den Ultraschall -Rangierungsmethoden gehören hauptsächlich die Phasenerkennungsmethode, die Methode zur Erkennung von Akustikwellenamplituden und die Transitzeit -Erkennungsmethode. Obwohl die Phasenerkennungsmethode eine hohe Genauigkeit aufweist, ist der Messbereich begrenzt, sodass sie weniger angewendet wird. Die Erkennungsmethode der akustischen Wellenamplitude hat eine geringe Genauigkeit und ist leicht durch reflektierte Wellen beeinflusst. Während die Transitzeitmethode zwischen den ersten beiden Methoden liegt, hat sie mit höherer Genauigkeit und Messung einen weiten Bereich und wird weit verbreitet.

In praktischen Anwendungen hat die Gestaltung des Fernbereichssystems einen großen Einfluss auf die Reichweite. Daher analysieren Sie das Arbeitsprinzip und den Prozess des Ultraschallbereichs, die Verbesserung der Methoden und Methoden der Rangliste und Verbesserung der Genauigkeit der UltraschallbereicheWandlerhat immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Nach der spezifischen Umgebung des Rangsystems ist die Methode zur Verbesserung der Genauigkeit geringfügig unterschiedlich. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Verringerung des Einflusses der externen Umgebung, die Auswahl der UltraschallWandler istIn Kombination mit der Realisierung des spezifischen Systems, um die Genauigkeit der Messung von Ultraschallebene zu verbessern.

Prinzip vonultrasonischrAbging

Ultraschallwellen, die für die Entfernungsmessung verwendet werden, werden normalerweise durch den piezoelektrischen Effekt der piezoelektrischen Keramik erzeugt. Dieser piezoelektrische Keramiksensor hat zwei piezoelektrische Wafer und eine Resonanzplatte. Wenn die Frequenz des zweistufigen externen Impulssignals dem inhärenten piezoelektrischen Wafer bei der Schwingungsfrequenz entspricht, resoniert und treibt der piezoelektrische Wafer die Resonanzplatte mit einer Vibration der Resonanzplatte mit und erzeugt wodurch Ultraschallwellen erzeugt werden. Wenn die Resonanzplatte Ultraschallwellen erhält, drückt sie den piezoelektrischen Wafer, um mechanische Energie in elektrische Signale zu vibrieren und umzuwandeln.

Das Prinzip der UltraschallbereicheWandlerwird gezeigt. Unter Verwendung der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit V von Ultraschallwellen in der Luft emittiert der Ultraschallwandler Ultraschallwellen vertikal an die flüssige Oberfläche, und die Schallwellen werden an der Grenzfläche zwischen der Wasseroberfläche und dem Gas reflektiert. Die Ausbreitungszeit t wird von der Zeit von der Übertragung des Ultraschallsignals bis zum Empfangen des Ultraschall -Echo -Signals aufgezeichnet, der Abstand zwischen dem Wandler und dem Flüssigkeitsstand L = 0,5 VT und dann der tatsächliche Flüssigkeitsniveau:

S = H-L = H-0,5 VT (1)

Beeinflussung von Messfaktoren und Lösungen

Nach der Formel (1) sind die Hauptfaktoren, die die Genauigkeit der Ultraschallabteilung beeinflussen, die Ultraschall -Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Ultraschallausbreitungszeit. Darüber hinaus gibt es Ultraschallfrequenzen, die den Messbereich und die Genauigkeit beeinflussen. Hier wird die Ausbreitungszeit nicht untersucht und diskutiert, nur die Fehler in den beiden anderen Aspekten werden untersucht und analysiert, und angemessene Lösungen werden vorgeschlagen.

Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit

Der größte Teil der Literatur schlägt vor, die Temperaturkorrekturmethode zu verwenden, um die Schallgeschwindigkeit zu kompensieren, und die Ausbreitungsgeschwindigkeitsformel beträgt V = 331,5+0,607T, wobei T die Temperatur (℃) ist. Anschließend wurde eine Temperatur- und Feuchtigkeitsdoppelkompensationsmethode vorgeschlagen, und die Ausbreitungsgeschwindigkeitsformel lautet:

Unter ihnen ist PW der Teildruck des Wasserdampfes, P ist der atmosphärische Druck, T0 ist die absolute Temperatur, t ist die gemessene Lufttemperatur und V ist die Ultraschallwellengeschwindigkeit nach der Kompensation. Der Autor glaubt, dass die tatsächliche Luft nicht vollständig trocken ist und die durchschnittliche Molmasse und das spezifische Wärmeverhältnis der Luft korrigiert werden. Obwohl diese Methode den Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Schallgeschwindigkeit berücksichtigt, hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit auch mit dem Ausbreitungsmedium, der Windgeschwindigkeit und dem Druck unter tatsächlichen Umgebungsbedingungen zusammen. Andere Faktoren sind miteinander verbunden, sodass die Messergebnisse immer noch große Fehler aufweisen.

Basierend auf dem Einfluss der Umgebung auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit schlägt einige Literatur eine Benchmark -Messmethode vor. Das Prinzip besteht darin, eine Zweikanalmethode zu verwenden. Ein Kanal wird verwendet, um die Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit zu messen. Vor dem Ultraschallwandel befindet sich eine Standard -Schale mit einem bekannten Abstand. Messingdie zeitliche Differenz der Ultraschallwelle, die die Schale erreicht, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in der Umgebung zu berechnen; Der andere Kanal misst den Abstand nach der normalen Messmethode. Daher wird die angezeigte Standardverbindungsmethode vorgeschlagen. Diese Methode kann eine höhere Genauigkeitsmessung erzielen und sich an verschiedene komplexe Umgebungen anpassen. Es gibt jedoch strenge Anforderungen an die Installation von Standardleitflächen. Daher ist die entsprechende Berechnung doppelt.tDie Installationspositionskarte des Ultraschallwandlers ist kompliziert, und die Unsicherheit der tatsächlichen Umgebung kann dazu führen, dass die Ultraschallwelle die Schussweiche erreicht, um nutzlose Ultraschallwellen durch mehrere Reflexionen zu erzeugen, was die Messgenauigkeit beeinflusst. Daher wird ein dualer Ultraschallwandler vorgeschlagen.Einer wird verwendet, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu messen, und der andere wird verwendet, um die Ausbreitungszeit zu messen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Obwohl diese Methode die Rechenkomplexität verringert, nutzlose Ultraschallwellen eliminiert und die Messgenauigkeit verbessert, sind die Kosten der beiden Wandler relativ groß, was der Popularisierung nicht förderlich ist.

Basierend auf der obigen Forschung und Analyse schlägt dieses Papier eine Methode zur Verwendung eines Lenkgetriebes vor, um die Richtung eines einzelnen Ultraschallwandlers zu kontrollieren, was nicht nur die Faktoren berücksichtigt zur Popularisierung in verschiedenen Bereichen. Die Standard -Schale wird vertikal platziert und auf derselben horizontalen Linie wie der Ultraschallwandler platziert. Der Abstand zwischen den beiden ist fest und größer als die blinde Zone des Ultraschallwandlers; Der Lenkgetriebe steuert den Ultraschallwandler in Richtung, der Einzel-Chip-Mikrocomputer sendet Anweisungen, um den Lenkgetriebe den Wandler zu steuern, um die flüssige Oberfläche vertikal zu begegnen, und sendet Ultraschallwellen, um die Ausbreitungszeit zu messen, und steuern Sie den Wandler, um 90 zu drehen, 90 °, stehen Sie vertikal und senden Sie Ultraschallwellen, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu messen.

Ultraschallfrequenz

Die Wellengleichung der Ultraschallausbreitung in der Luft, wobei a die vom Ultraschallwandler empfangene Amplitude ist, ist A0 die anfängliche Amplitude, die vom Ultraschallwandler emittiert wird Welle und T ist die Ultraschallwellenausbreitungszeit, λ ist die Wellenlänge von Ultraschall, α ist der Dämpfungskoeffizient von Ultraschall, die Formel ist α = bf2, wobei B die Dielektrizitätskonstante und F die Frequenz von Ultraschall ist.

Nach Gleichung (3) ist ersichtlich, dass die Amplitude der Ultraschallwellen auf 1/e des Originals abgeschwächt wird, wenn der Ausbreitungsabstand der Ultraschallwellen in der Luft 0,5α erreicht. Je höher die Ultraschallfrequenz, desto schwerwiegender die Abschwächung und desto kleiner der nachweisbare Abstandsbereich, aber je kleiner der Spread -Winkel der emittierten Ultraschallwelle ist, desto dünner der Strahl und desto besser die Direktivität.

Schlägt die Verwendung der Doppelvergleichsformung vor, um die Vorderkante des Echos zu bestimmen. Aufgrund der Unsicherheit der tatsächlichen Messumgebung können die beiden Komparatorschwellen möglicherweise zu klein oder zu groß eingestellt sein, was zu einer verringerten Messgenauigkeit führt. Auf diesem Artikel schlägt dieser Artikel die Verwendung des programmierbaren Verstärkungsverstärkers PGA112 vor, um die Genauigkeit der Erfassung der Vorderkante des ersten Echos durch mehrere Verstärkungskorrekturen zu verbessern.

Software-Design

3.1 Programmdesign -Ideen und verwandte Aufmerksamkeitspunkte

Um eine hohe Präzisionsmessung des Flüssigkeitsniveaus zu erreichen, müssen die Arbeiten von der Software ausgeführt werden:

(1) 40 kHz Ultraschall erzeugen;

(2) Messung der Ausbreitungszeit von Ultraschallwellen;

(3) Steuerung der Lenkung des Lenkgetriebes, um die Richtung der Übertragungs- und Empfangsenden des Ultraschallwandlers zu steuern;

(4) die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen messen;

(5) Wählen Sie die entsprechende Ultraschallfrequenz als Testobjekt gemäß der Entfernung aus;

(6) Berechnen Sie die Höhe des Flüssigkeitsniveaus und führen Sie entsprechende Aktionen wie die Datenanzeige aus. Der 40 -kHz -Impulszug des Geräts wird durch Software generiert. Die Messung der Ausbreitungszeit und -geschwindigkeit der Ultraschallwelle und die Lenkkontrolle des Lenkgetriebes werden durch das Timing/Zähler des Single-Chip-Mikrocomputers abgeschlossen.

Betrachten Sie beim Schreiben des Systemprogramms die Hardware -Verbindung, aber auch in Betracht, den Speicherplatz, die Verwendung von Registern und externen Interrupt -Stiften festzulegen. Aufgrund der Existenz einer After-Vibration und gebrochenen Wellenbeugung dauert es außerdem eine gewisse Zeit, um das Echo nach dem Ende der Übertragung von Ultraschallwellen für die entsprechende Verarbeitung zu erhalten.

Hauptprogrammfluss

Das System übernimmt modulare Programmierung, einschließlich Hauptprogrammmodul, Ultraschallmessmessmessmodul, Lenkungsgetriebemodul, Ultrasonic -Ausbreitungsgeschwindigkeitsmessmodul, Berechnungsmodul der Flüssigkeitsebene, Datenanzeige und andere entsprechendeuLtrasonic -Modul -Entfernungssensor. Verwenden Sie nach der Initialisierung des Systems die while (1) -Schürt externer Interrupt. Verzögern Sie 1 ms, schalten Sie dann den externen Interrupt ein und warten Sie auf das Echo. Wenn ein Echo erkannt wird, stoppen Sie den Timer im externen Interrupt -Programm, speichern Sie den Wert des Timers und das Echo -Rezeptionsflag ist auf 1 gesetzt. Dann rufen Sie das Lenkmodul der Lenkausrüstung an, schalten Sie den Zähler ein, um das Timing zu beginnen. und Kontrollposition 1, wenn die Impulsbreite größer als 2,5 ms ist, die Kontrollposition 0; Wenn die Anzahl 3 ms erreicht, wird der Zähler gelöscht, um das Lenkgetriebe 90 ° zu machen. Rufen Sie dann das Messmodul der Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit auf und berechnen Sie die Schallgeschwindigkeit durch den festen Abstand der Standardleitnis. Stellen Sie im Lenkmodul des Lenkgetriebes die Impulsbreite auf 1,5 ms ein, damit das Lenkgetriebe auf 0 ° wird. Schließlich ruft der Mikrocontroller das Berechnungsprogramm auf Flüssigkeitsebene auf und führt entsprechende Aktionen wie die Datenanzeige aus.

Experimentelle Ergebnisse und Analyse

Dieses System verfestigt die Software im STC12C5A60S2-Single-Chip-Mikrocomputer. Um den Messungseffekt des Ultraschallflüssigkeitsmesssystems zu überprüfen, wurde ein Wassertank mit einer relativ stabilen Durchflussrate für die Messung im Freien ausgewählt, und der Wasserstand wurde durch Steuerung des Ventils geändert. Das System wurde 7 m vom Boden des Tanks entfernt. Die Methode zur Einführung des Durchschnitts von 3 Messungen wird angewendet, um den zufälligen Fehler des Systems zu verringern.

Die MessergebnissevonuLtrasonischer Entfernungswandler werden mit den Messdaten der Wasseranzeige verglichen, wie in Tabelle 1 gezeigt , die den Messbedarf in der industriellen und landwirtschaftlichen Produktion erfüllen können.

Abschließende Bemerkungen

Im Ultraschall -Messsystem des Flüssigkeitsspiegels basierend auf der vollständigen Analyse der Ursachen deruLtrasonischer WandlersensorFür die Messung der Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend dem Einfluss von Umweltfaktoren und der Berücksichtigung von Kostenproblemen wird vorgeschlagen, ein Lenkgetriebe zu verwenden, um die Richtung des Ultraschallwandlers zu kontrollieren, um die Korrekturmethode für die Verschiebungskompensationskorrektur zu erreichen, die Kosten spart , vereinfacht das Design und berücksichtigt die Umweltwirkungsfaktoren vollständig und ist eine Methode und technische Mittel, die in der relevanten Literatur zur Messung von Flüssigkeitsebene nicht erwähnt wurden. Für die genaue Erfassung der ersten Ultraschall -Echo -Frontkante wird eine programmierbare Verstärkungsmethode angewendet, um die Erfassung der ersten Echo -Frontkante zu verbessern, wodurch die Genauigkeit der Rangliste verbessert wird. In industriellen und landwirtschaftlichen Anwendungen mit dem Thema Energieeinsparung, Umweltschutz und Einfachheit ist diese verbesserte Methode zu einer neuen Idee für die Messung von Ultraschallebene mit ihren einzigartigen Vorteilen geworden.