Principe de la mesure de la distance à ultrasons et du système de mesure de niveau de liquide de haute précision

Mesure de la distance à ultrasonscapteurA une série d'avantages, mais il existe de nombreux facteurs qui affectent la précision de la mesure, il est donc difficile d'atteindre une précision plus élevée. Sur la base du principe du programme de mesure de distance, de température et de compensation de la température et d'humiditéde transducteur à ultrasonsest unique, qui ne peut pas atteindre une mesure de distance de haute précision dans un environnement changeant et dur, et un programme de compensation standard pour les transducteurs à double ultrasons.Le coût est élevé et ne peut pas être largement appliqué aux défauts dans divers domaines. Un seul régime de compensation de défilé standarddepiezoelectric ultrasonicsENSORest conçu qui utilise un équipement de direction pour contrôler la direction du transducteur à ultrasons. En réponse à l'exigence selon laquelle le premier front d'écho ne peut pas être capturé avec précision, un amplificateur de gain programmable est proposé pour capturer le front de retour de l'écho à différentes distances. Les résultats expérimentaux montrent que dans la plage de 7 m, lorsque l'air est utilisé comme milieu de propagation et que la surface réfléchissante est de l'eau avec de bonnes propriétés d'émission, l'erreur de mesure est contrôlée à 0,4%. Cette méthode améliorée peut atteindre un faible coût dans l'environnement sévère et modifiable.

introduction

À l'heure actuelle, il existe de nombreuses méthodes de mesure du niveau de liquide, telles que la mesure du niveau de flotteur, la mesure du niveau assisté par la pression d'entrée, la mesure du niveau du radar micro-ondes, la mesure du niveau infrarouge, la mesure du niveau du laser et la mesure du niveau ultrasonique. Parmi eux, le capteur de pressionestreprésenté par la mesure des contacts,quisera contaminé lorsqu'il est utilisé dans des scènes telles que des sédiments lourds, puis provoquera de grandes erreurs. Pour les systèmes de tâches sans contact, la mesure du niveau de liquide radar micro-ondes est techniquement difficile et coûteuse; La mesure du niveau de liquide infrarouge est faible en coût et facile à mettre en œuvre, mais a une mauvaise directivité et une faible précision; tandis que la mesure du niveau de liquide ultrasonique peut être effectuée sanscsur la surface liquide,quiÉvite l'influence de la pollution et de la corrosion liquides sur l'équipement de mesure,cen'est pas soumis à la lumière, à la fumée, aux interférences électromagnétiques, et présente les avantages de la haute résolution, de la structure du système simple, de l'installation pratique et du faible coût.

Les méthodes de tâches à ultrasons comprennent principalement la méthode de détection de phase, la méthode de détection d'amplitude des ondes acoustiques et la méthode de détection de temps de transit. Bien que la méthode de détection de phase ait une précision élevée, la plage de mesure est limitée, elle est donc moins appliquée; La méthode de détection d'amplitude d'onde acoustique a une faible précision et est facilement affectée par les ondes réfléchies; Alors que la méthode du temps de transit se situe entre les deux premières méthodes, avec une précision et une mesure plus élevées, il a une large plage et est largement utilisé.

Dans les applications pratiques, la conception du système de télémétrie a une grande influence sur la précision variée. Par conséquent, l'analyse du principe de travail et du processus de tâtonnement à ultrasons, d'amélioration des méthodes et des méthodes de tâtonnement et d'améliorationtransducteura attiré de plus en plus d'attention. Selon l'environnement spécifique du système de télévision, la méthode d'amélioration de la précision est légèrement différente. Cet article se concentre sur la réduction de l'influence de l'environnement externe, le choix de l'ultrasonsLe transducteur estCombiné avec la réalisation du système spécifique, pour améliorer la précision de la mesure du niveau ultrasonique.

Principe deultrasonicrangle

Les ondes ultrasoniques utilisées pour la mesure à distance sont généralement générées par l'effet piézoélectrique de la céramique piézoélectrique. Ce capteur en céramique piézoélectrique a deux plaquettes piézoélectriques et une plaque de résonance. Lorsque la fréquence du signal d'impulsion externe à deux niveaux est égale à la plaquette piézoélectrique inhérente à la fréquence d'oscillation, la tranche piézoélectrique résonnera et conduira la plaque de résonance pour vibrer, générant ainsi des ondes ultrasoniques; Lorsque la plaque de résonance reçoit des ondes ultrasoniques, elle appuyera la tranche piézoélectrique pour vibrer et convertir l'énergie mécanique en signaux électriques.

Le principe de l'ampleur des ultrasonstransducteurest montré. En utilisant la vitesse de propagation connue V des ondes ultrasoniques dans l'air, le transducteur à ultrasons émet des ondes ultrasoniques verticalement à la surface liquide, et les ondes sonores sont réfléchies à l'interface entre la surface de l'eau et le gaz et transmise au transducteur ultrasonique, et Le temps de propagation t est enregistré, c'est-à-dire à partir du moment de la transmission du signal ultrasonique à la réception du signal d'écho à ultrasons, la distance entre le transducteur et le niveau liquide L = 0,5VT, puis le niveau de liquide réel est:

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

Influencer les facteurs de mesure et les solutions

Selon la formule (1), les principaux facteurs qui affectent la précision de la variation des ultrasons sont la vitesse de propagation par ultrasons et le temps de propagation par ultrasons. De plus, il existe des fréquences ultrasoniques qui affectent la plage de mesure et la précision. Ici, le temps de propagation n'est pas étudié et discuté, seules les erreurs dans les deux autres aspects sont étudiées et analysées, et des solutions raisonnables sont proposées.

Vitesse de propagation à ultrasons

La plupart de la littérature propose d'utiliser la méthode de correction de la température pour compenser la vitesse du son, et la formule de vitesse de propagation est v = 331,5 + 0,607t, où t est la température (℃). Ensuite, une méthode de double compensation de la température et de l'humidité a été proposée, et la formule de vitesse de propagation est:

Parmi eux, PW est la pression partielle de la vapeur d'eau, P est la pression atmosphérique, T0 est la température absolue, T est la température de l'air mesurée, et V est la vitesse des ondes ultrasoniques après compensation. L'auteur estime que l'air réel n'est pas complètement sec et que la masse molaire moyenne et le rapport de chaleur spécifique de l'air sont corrigés. Bien que cette méthode prenne en compte l'influence de l'humidité sur la vitesse du son, la vitesse de propagation est également liée au milieu de propagation, à la vitesse du vent et à la pression dans des conditions environnementales réelles. D'autres facteurs sont liés, de sorte que les résultats de mesure ont encore de grandes erreurs.

Sur la base de l'influence de l'environnement sur la vitesse de propagation, une certaine littérature propose une méthode de mesure de référence. Le principe consiste à utiliser une méthode à deux canaux. Un canal est utilisé pour mesurer la vitesse de propagation à ultrasons. Un déflecteur standard avec une distance connue est placé devant le transducteur à ultrasons. Mesurerinsignela différence de temps de l'onde ultrasonique atteignant le déflecteur pour calculer la vitesse de propagation de l'onde ultrasonique dans l'environnement; L'autre canal mesure toujours la distance en fonction de la méthode de mesure normale. Par conséquent, la méthode d'installation standard de déroute indiquée est proposée. Cette méthode peut atteindre une mesure de précision plus élevée et s'adapter à divers environnements complexes. Cependant, il existe des exigences strictes pour l'installation de chicanes standard. Par conséquent, le calcul correspondant est double.tLa carte de position d'installation du transducteur à ultrasons est compliquée, et l'incertitude de l'environnement réel peut amener l'onde à ultrasons pour atteindre le déflecteur pour produire des ondes ultrasoniques inutiles à travers de multiples réflexions, ce qui affecte la précision de mesure. Par conséquent, un transducteur à double ultrasons est proposé.L'un est utilisé pour mesurer la vitesse de propagation, et l'autre est utilisé pour mesurer le temps de propagation, sans s'affecter mutuellement. Bien que cette méthode réduit la complexité de calcul, élimine les ondes ultrasoniques inutiles et améliore la précision de la mesure, le coût des deux transducteurs est relativement important, ce qui n'est pas propice à la popularisation.

Sur la base de la recherche et de l'analyse ci-dessus, cet article propose une méthode d'utilisation d'un équipement de direction pour contrôler la direction d'un seul transducteur à ultrasons, qui non seulement prend en compte les facteurs affectant la vitesse de propagation, mais réduit également le coût, ce qui est bénéfique à la vulgarisation dans divers domaines. Le déflecteur standard est placé verticalement et placé sur la même ligne horizontale que le transducteur à ultrasons. La distance entre les deux est fixe et supérieure à la zone aveugle du transducteur à ultrasons; L'équipement de direction contrôle le transducteur à ultrasons dans la direction, le micro-ordinateur à puce envoie des instructions pour faire en sorte que l'équipement de direction contrôle le transducteur pour faire face à la surface liquide verticalement, et envoyer des ondes ultrasoniques pour mesurer le temps de propagation, puis contrôler le transducteur pour rotation 90 °, faites face à la chicane standard verticalement et envoyez des ondes à ultrasons pour mesurer la vitesse de propagation.

Fréquence ultrasonique

L'équation d'onde de la propagation par ultrasons dans l'air, où A est l'amplitude reçue par le transducteur ultrasonique, A0 est l'amplitude initiale émise par le transducteur ultrasonique, X est la distance de propagation de l'onde ultrasonique, ω est la fréquence angulaire de l'ultrasonique onde, et t est le temps de propagation des ondes à ultrasons, λ est la longueur d'onde de l'échographie, α est le coefficient d'atténuation de l'échographie, la formule est α = BF2, où B est la constante diélectrique et F est la fréquence de l'échographie.

Selon l'équation (3), on peut voir que lorsque la distance de propagation des ondes ultrasoniques dans l'air atteint 0,5α, l'amplitude des ondes ultrasoniques est atténuée à 1 / e de l'original. Plus la fréquence ultrasonique est élevée, plus l'atténuation est grave et plus la plage de distance détectable est petite, mais plus l'angle de propagation est petit de l'onde ultrasonique émise, plus le faisceau il est mince et plus la directivité est meilleure.

Propose l'utilisation de la mise en forme du double comparateur pour déterminer le bord avant de l'écho, mais en raison de l'incertitude de l'environnement de mesure réel, les deux seuils de comparaison peuvent être réglés trop petits ou trop grands, entraînant une précision de mesure réduite. Sur la base de cela, cet article propose d'utiliser l'amplificateur de gain programmable PGA112 pour améliorer la précision de la capture du bord avant du premier écho à travers plusieurs corrections de gain.

conception de logiciels

3.1 Idées de conception du programme et points d'attention connexes

Afin d'obtenir une mesure de niveau de liquide de haute précision, le travail à effectuer par le logiciel:

(1) générer des échographies de 40 kHz;

(2) mesurer le temps de propagation des ondes ultrasoniques;

(3) contrôler la direction de l'équipement de direction pour contrôler la direction des extrémités de transmission et de réception du transducteur à ultrasons;

(4) mesurer la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques;

(5) Sélectionnez la fréquence ultrasonique appropriée comme objet de test en fonction de la distance;

(6) Calculez la hauteur du niveau liquide et effectuez des actions correspondantes telles que l'affichage des données. Le train d'impulsions de 40 kHz de l'appareil est généré par le logiciel; La mesure du temps de propagation et de la vitesse de l'onde à ultrasons, et le contrôle de direction de l'engrenage sont complétés par le chronométrage / compteur du micro-ordinateur à puce.

Lors de la rédaction du programme système, envisagez la connexion matérielle, mais envisagez également de définir l'espace de stockage, l'utilisation de registres et des broches d'interruption externes. De plus, en raison de l'existence de la diffraction des ondes après-vibration et réfractée, il faut un certain temps pour recevoir l'écho après la fin de la transmission des ondes ultrasoniques pour le traitement correspondant.

Flux principal du programme

Le système adopte la programmation modulaire, y compris le module de programme principal, le module de mesure du temps de propagation à ultrasons, le module de direction de l'équipement de direction, le module de mesure de la vitesse de propagation à ultrasons, le module de calcul de niveau de liquide, l'affichage de données et d'autres correspondants correspondantsucapteur de distance du module ltrasonique. Une fois le système initialisé, utilisez l'instruction while (1) pour atteindre la boucle infinie suivante: appelez d'abord le module de mesure du temps de propagation à ultrasons et transmettez en même temps l'ultrasons, allumez le comptoir pour commencer le timing et éteignez le interruption externe. Retarder 1 ms, puis allumer l'interruption externe et attendre l'écho. Lorsqu'un écho est détecté, arrêtez la minuterie du programme d'interruption externe, stockez la valeur de la minuterie et l'indicateur de réception Echo est défini sur 1. Ensuite, appelez le module de direction de l'engrenage, allumez le comptoir pour commencer le timing, et la position de contrôle 1, lorsque la largeur d'impulsion est supérieure à 2,5 ms, position de contrôle 0; Lorsque le nombre atteint 3 ms, le compteur est éliminé pour faire de la direction de 90 °. Appelez ensuite le module de mesure de la vitesse de propagation à ultrasons et calculez la vitesse du son à travers la distance fixe du déflecteur standard. Dans le module de direction de l'engrenage, réglez la largeur d'impulsion à 1,5 ms pour faire tourner la direction à 0 °. Enfin, le microcontrôleur appelle le programme de calcul de niveau liquide et effectue des actions correspondantes telles que l'affichage des données.

Résultats et analyses expérimentales

Ce système solidifie le logiciel sur le micro-ordinateur unique STC12C5A60S2. Afin de vérifier l'effet de mesure du système de mesure du niveau de liquide à ultrasons, un réservoir d'eau avec un débit relativement stable a été sélectionné à l'extérieur pour la mesure, et le niveau d'eau a été modifié en contrôlant la valve. Le système a été installé à 7 m du bas du réservoir. La méthode pour prendre la moyenne de 3 mesures est adoptée pour réduire l'erreur aléatoire du système.

Les résultats de mesuredeutransducteur à distance ltrasonique sont comparés aux données de mesure de la jauge d'eau, comme le montre le tableau 1. Selon une analyse expérimentale de mesure et d'erreur, le système a une zone aveugle de mesure de 30 mm, et l'erreur de mesure est essentiellement contrôlée à 0,4%, atteignant une opinion élevée à haute précision , qui peut répondre aux besoins de mesure dans la production industrielle et agricole.

Remarques finales

Dans le système de mesure du niveau de liquide ultrasonique, basé sur l'analyse complète des causes duucapteur de transducteur ltrasonique, pour la mesure de la vitesse de propagation par ultrasons, selon l'influence des facteurs environnementaux et la prise en compte des problèmes de coûts, il est proposé d'utiliser un équipement de direction pour contrôler la direction du transducteur à ultrasons pour réaliser la méthode de correction de compensation de Baffle qui économise les coûts , simplifie la conception et considère pleinement les facteurs d'impact environnemental est une méthode et des moyens techniques qui n'ont pas été mentionnés dans la littérature pertinente de la mesure du niveau liquide. Pour la capture précise du premier bord avant d'écho à ultrasons, une méthode programmable de gain est adoptée pour améliorer la capture du premier bord avant d'écho, améliorant ainsi la précision de la tâche. Dans les applications industrielles et agricoles avec le thème de la réduction de l'économie d'énergie, de la protection de l'environnement et de la simplicité, cette méthode améliorée est devenue une nouvelle idée de mesure de niveau ultrasonique avec ses avantages uniques.