Principio de medición de distancia ultrasónica y sistema de medición de nivel de líquido de alta precisión

medición de distancia ultrasónicosensortiene una serie de ventajas, pero hay muchos factores que afectan a la precisión de medición, por lo que es difícil de lograr una mayor precisión. Basado en el principio de la medición ultrasónica de la distancia, la temperatura y el programa de compensación de humedadde transductor ultrasónicoes único, que no puede lograr la medición de distancia de alta precisión en un entorno cambiante y duras, y un programa de compensación deflector estándar para transductores ultrasónicos duales.El costo es alto y no se puede aplicar ampliamente a los defectos en varios campos. Un solo esquema de compensación por deflector estándardepiezoeléctrico ultrasónicosgarantizarEstá diseñado que utiliza un engranaje de dirección para controlar la dirección del transductor ultrasónico. En respuesta al requisito de que el primer Frente ECHO no se pueda capturar con precisión, se propone un amplificador de ganancia programable para capturar la parte delantera de retorno del eco a diferentes distancias. Los resultados experimentales muestran que en el rango de 7 m, cuando el aire se usa como medio de propagación y la superficie reflectante es agua con buenas propiedades de emisión, el error de medición se controla dentro del 0,4%. Este método mejorado puede lograr de bajo costo bajo el entorno áspero y cambiante.

Introducción

En la actualidad, existen muchos métodos de medición de nivel de líquido, como la medición del nivel de flotador, la medición de nivel asistido por la presión, la medición de nivel de radar de microondas, la medición de nivel de infrarrojos, la medición de nivel láser y la medición de nivel ultrasónico. Entre ellos, el sensor de presión.esrepresentado por la medición de contacto,cualesSe contaminará cuando se usan en escenas, como sedimentos pesados, y luego causar errores grandes. Para sistemas de rango de no contacto, la medición de nivel de líquido de radar de microondas es técnicamente difícil y costoso; La medición de nivel de líquido infrarrojo es bajo en costo y sea fácil de implementar, pero tiene una subvención deficiente y baja precisión; Mientras que la medición de nivel de líquido ultrasónico se puede hacer sincsobre la superficie del líquido,cualesEvita la influencia de la contaminación líquida y la corrosión en el equipo de medición,esono está sujeto a la luz, el humo, la interferencia electromagnética y tiene las ventajas de la alta resolución, la estructura simple del sistema, la instalación conveniente y el bajo costo.

Los métodos de rango ultrasónicos incluyen principalmente el método de detección de fase, el método de detección de amplitud de onda acústica y el método de detección de tiempo de tránsito. Aunque el método de detección de fase tiene alta precisión, el rango de medición es limitado, por lo que se aplica menos; El método de detección de amplitud de onda acústica tiene baja precisión y se ve fácilmente afectada por las ondas reflejadas; Si bien el método de tiempo de tránsito está entre los dos primeros métodos, con mayor precisión y medición, tiene un amplio rango y se usa ampliamente.

En aplicaciones prácticas, el diseño del sistema de rango tiene una gran influencia en la exactitud de rango. Por lo tanto, analizando el principio de trabajo y el proceso de rango ultrasónico, mejorando los métodos y métodos de rango, y mejorando la precisión de la vanguardia ultrasónicatransductorHa atraído más y más atención. Según el entorno específico del sistema de rango, el método para mejorar la precisión es ligeramente diferente. Este artículo se centra en reducir la influencia del entorno externo, la elección de ultrasonidos.Transductor esCombinado con la realización del sistema específico, para mejorar la precisión de la medición de nivel ultrasónico.

Principio deultrasónicoranging

Las ondas ultrasónicas utilizadas para la medición de la distancia normalmente se generan por el efecto piezoeléctrico de las cerámicas piezoeléctricas. Este sensor cerámico piezoeléctrico tiene dos obleas piezoeléctricas y una placa de resonancia. Cuando la frecuencia de la señal de impulso externo de dos niveles es igual a la oblea piezoeléctrica inherente En la frecuencia de oscilación, la oblea piezoeléctrica resonará y conducir la placa de resonancia a vibrar, generando de esta manera las ondas ultrasónicas; cuando la placa de resonancia recibe las ondas ultrasónicas, se presionará la oblea piezoeléctrico para vibrar y convertir la energía mecánica en señales eléctricas.

El principio de ultrasonidos que varíatransductorse muestra. Usando la velocidad de propagación conocida v de ondas ultrasónicas en el aire, el transductor ultrasónico emite ondas ultrasónicas verticalmente a la superficie del líquido, y las ondas de sonido se reflejan en la interfaz entre la superficie del agua y el gas y se transmite de nuevo al transductor ultrasónico, y el tiempo de propagación t se registra, es decir, desde el momento de la transmisión de la señal ultrasónica a recibir la señal de eco ultrasónica, la distancia entre el transductor y el nivel de líquido L = 0.5vt, y entonces el nivel de líquido real es:

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

Factores de influencia de medición y soluciones

De acuerdo con la fórmula (1), los principales factores que afectan a la precisión de la que van ultrasónica son la velocidad de propagación ultrasónica y tiempo de propagación de ultrasonidos. Además, hay frecuencias ultrasónicas que afectan a la gama de medición y precisión. Aquí, el tiempo de propagación no se estudia y discutido, sólo los errores en los otros dos aspectos se estudian y se analizaron, y se proponen soluciones razonables.

Ultrasónico velocidad de propagación

La mayor parte de la literatura propone utilizar el método de corrección de la temperatura para compensar la velocidad del sonido, y la fórmula de la velocidad de propagación es v = 331,5 + 0.607T, donde T es la temperatura (℃). Entonces, se propuso un método de la temperatura y la humedad dual compensación, y la fórmula de la velocidad de propagación es:

Entre ellos, pw es la presión parcial de vapor de agua, p es la presión atmosférica, T0 es la temperatura absoluta, T es la temperatura del aire medida, y v es la velocidad de la onda de ultrasonidos después de la compensación. El autor cree que el aire real no se seque por completo, y la relación molar promedio en masa y calor específico del aire se corrigen. Aunque este método tiene en cuenta la influencia de la humedad en la velocidad del sonido, la velocidad de propagación también está relacionado con el medio de propagación, velocidad del viento, y la presión en condiciones ambientales reales. Otros factores están relacionados, por lo que los resultados de las mediciones todavía tienen grandes errores.

Sobre la base de la influencia del medio ambiente sobre la velocidad de propagación, cierta literatura propone un método de medición de referencia. El principio es utilizar un método de dos canales. Se utiliza un canal para medir la velocidad de propagación ultrasónica. Se coloca un deflector estándar con una distancia conocida frente al transductor ultrasónico. CírculoEn gla diferencia horaria de la ola ultrasónica que alcanza el deflector para calcular la velocidad de propagación de la onda ultrasónica en el medio ambiente; El otro canal aún mide la distancia según el método de medición normal. Por lo tanto, se propone el método de instalación del deflector estándar que se muestra. Este método puede lograr una mayor medida de precisión y adaptarse a varios entornos complejos. Sin embargo, hay requisitos estrictos para la instalación de deflectores estándar. Por lo tanto, el cálculo correspondiente es doble..tEl mapa de posición de instalación del transductor ultrasónico es complicado, y la incertidumbre del entorno real puede hacer que la onda ultrasónica alcance el deflector para producir ondas ultrasónicas inútiles a través de múltiples reflexiones, lo que afecta la precisión de la medición. Por lo tanto, se propone un transductor ultrasónico dual..Uno se usa para medir la velocidad de propagación, y la otra se usa para medir el tiempo de propagación, sin afectarse mutuamente. Aunque este método reduce la complejidad computacional, elimina las ondas ultrasónicas inútiles, y mejora la precisión de la medición, el costo de los dos transductores es relativamente grande, lo que no es propicio para la popularización.

Sobre la base de la investigación y el análisis anterior, este documento propone un método para usar un engranaje de dirección para controlar la dirección de un solo transductor ultrasónico, que no solo tiene en cuenta los factores que afectan la velocidad de propagación, sino que también reduce el costo, lo que es beneficioso a la popularización en varios campos. El deflector estándar se coloca verticalmente y se coloca en la misma línea horizontal que el transductor ultrasónico. La distancia entre los dos es fija y mayor que la zona ciega del transductor ultrasónico; El engranaje de dirección controla el transductor ultrasónico en la dirección, el microordenador de un solo chip envía instrucciones para que el engranaje de dirección controla el transductor para enfrentar la superficie del líquido verticalmente, y enviar ondas ultrasónicas para medir el tiempo de propagación, luego controle el transductor para girar 90 °, enfrente el deflector estándar verticalmente, y envíe ondas ultrasónicas para medir la velocidad de propagación.

Frecuencia ultrasónica

La ecuación de onda de la propagación ultrasónica en el aire, donde A es la amplitud recibida por el transductor ultrasónico, A0 es la amplitud inicial emitida por el transductor ultrasónico, X es la distancia de propagación de la onda ultrasónica, ω es la frecuencia angular del ultrasónico onda, y T es el tiempo de propagación ultrasónico de la onda, λ es la longitud de onda de ultrasonido, α es el coeficiente de atenuación del ultrasonido, la fórmula es α = BF2, donde B es la constante dieléctrica y F es la frecuencia de la ecografía.

De acuerdo con la ecuación (3), se puede ver que cuando la distancia de propagación de las ondas ultrasónicas en el aire alcanza 0.5α, la amplitud de las ondas ultrasónicas se atenúa a 1 / E del original. Cuanto mayor sea la frecuencia ultrasónica, más severa la atenuación y el rango más pequeño de la distancia detectable, pero cuanto menor sea el ángulo de la extensión de la onda ultrasónica emitida, más delgada la viga y mejor la directividad.

Propone el uso de la formación de doble comparador para determinar el borde frontal del eco, pero debido a la incertidumbre del entorno de medición real, los dos umbrales de comparación pueden establecerse demasiado pequeños o demasiado grandes, lo que resulte en la precisión de medición reducida. Sobre la base de esto, este artículo propone utilizar el amplificador de ganancia programable PGA112 para mejorar la precisión de capturar el borde frontal del primer eco a través de las correcciones de ganancia múltiple.

diseño de software

3.1 Ideas de diseño de programas y puntos de atención relacionados.

Para lograr la medición de nivel de líquido de alta precisión, el trabajo que debe completar el software:

(1) generar ultrasonido de 40 kHz;

(2) medir el tiempo de propagación de las ondas ultrasónicas;

(3) controlar la dirección del engranaje de dirección para controlar la dirección de los extremos de transmisión y recepción del transductor ultrasónico;

(4) Mida la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas;

(5) Seleccione la frecuencia ultrasónica apropiada como objeto de prueba según la distancia;

(6) Calcule la altura del nivel de líquido y realice acciones correspondientes, como la visualización de datos. El software generado por el tren de pulso de 40 kHz; La medición del tiempo de propagación y la velocidad de la onda ultrasónica, y el control de dirección del engranaje de dirección se completan mediante el momento / contador del microordenador de un solo chip.

Mientras escribe el programa del sistema, considere la conexión de hardware, pero también considere establecer el espacio de almacenamiento, el uso de registros y los pines de interrupción externos. Además, debido a la existencia de difracción de onda después de la vibración y refractada, toma un período de tiempo para recibir el ECHO después del final de la transmisión de ondas ultrasónicas para el procesamiento correspondiente.

Flujo del programa principal

El sistema adopta la programación modular, incluido el módulo del programa principal, el módulo de medición del tiempo de propagación ultrasónico, el módulo de dirección del engranaje de dirección, el módulo de medición de velocidad de propagación ultrasónica, el módulo de cálculo de nivel de líquido, la pantalla de datos y otros correspondientes.uSensor de distancia de módulo LTRASONIC. Una vez que se inicializa el sistema, use la instrucción MIENTIO (1) para lograr el siguiente bucle infinito: primero llame al módulo de medición de tiempo de propagación ultrasónica y, al mismo tiempo, transmite el ultrasónico, encienda el contador para comenzar la distribución y apague el interrupción externa. Delay 1 ms, luego encienda la interrupción externa y espere el eco. Cuando se detecta un eco, detenga el temporizador en el programa de interrupción externo, almacene el valor del temporizador, y el indicador de recepción de ECHO se establece en 1. Luego, llame al módulo de dirección del engranaje de dirección, encienda el contador para comenzar la distribución. y la posición de control 1, cuando el ancho del pulso es mayor que 2.5 ms, la posición de control 0; Cuando el conteo alcanza las 3 ms, el contador se borra para hacer que el engranaje de dirección 90 °. Luego, llame al módulo de medición de velocidad de propagación ultrasónica, y calcule la velocidad de sonido a través de la distancia fija del deflector estándar. En el módulo de dirección del engranaje de dirección, configure el ancho del pulso a 1.5 ms para que el engranaje de dirección se convierta en 0 °. Finalmente, el microcontrolador llama el programa de cálculo de nivel de líquido y realiza acciones correspondientes, como la pantalla de datos.

Resultados y análisis experimentales.

Este sistema solidifica el software en el microordenador de chip único STC12C5A60S2. Para verificar el efecto de medición del sistema de medición de nivel de líquido ultrasónico, se seleccionó un tanque de agua con un caudal relativamente estable al aire libre para la medición, y el nivel de agua se cambió al controlar la válvula. El sistema se instaló a 7 m de la parte inferior del tanque. Se adopta el método de tomar el promedio de 3 mediciones para reducir el error aleatorio del sistema.

Los resultados de la medicióndeuTransductor de distancia LTRASONIC se comparan con los datos de medición del medidor de agua, como se muestra en la Tabla 1. De acuerdo con la medición experimental y el análisis de errores, el sistema tiene una zona de ciega de medición de 30 mm, y el error de medición se controla básicamente al 0,4%, logrando alcance de alta precisión. , que puede satisfacer las necesidades de medición en la producción industrial y agrícola.

Observaciones finales

En el sistema de medición de nivel de líquido ultrasónico, basado en el análisis completo de las causas de lausensor de transductor ltrasónico, para la medición de la velocidad de propagación ultrasónica, de acuerdo con la influencia de los factores ambientales y la consideración de los problemas de costos, se propone utilizar un engranaje de dirección para controlar la dirección del transductor ultrasónico para lograr el método de corrección de compensación por deflectores que ahorra costos , simplifica el diseño y considera plenamente los factores de impacto ambiental es un método y medios técnicos que no se ha mencionado en la literatura relevante de la medición de nivel de líquido. Para la captura precisa del primer borde frontal de eco ultrasónico, se adopta un método programable de ganancia para mejorar la captura del primer borde frontal de ECHO, lo que mejora así la precisión del rango. En aplicaciones industriales y agrícolas con el tema del ahorro de energía, la protección del medio ambiente y la simplicidad, este método mejorado se ha convertido en una nueva idea para la medición de nivel ultrasónico con sus ventajas únicas.