Método de calibración de un sensor de nivel ultrasónico bajo diferentes errores.

Método de calibración de un sensor de nivel ultrasónico bajo diferentes errores.

En la medición del nivel de líquidos, el sensor de nivel ultrasónico es un tipo de instrumento de medición de nivel de material sin contacto que se utiliza ampliamente. Sin embargo, en la aplicación práctica, la temperatura, la humedad, el polvo, la composición química del líquido medido y otros factores afectarán la precisión de la medición. Sensor de nivel ultrasónico al por mayor En mayor o menor medida, es necesario dominar los métodos de calibración para corregir los distintos errores causados ​​por diversos factores y así lograr mediciones precisas. A continuación, presentaremos los métodos de calibración y las medidas de compensación del sensor de nivel ultrasónico ante diferentes errores.

Error en el tiempo de tránsito y su método de calibración

1. Error en el tiempo de tránsito

El tiempo de tránsito se refiere al tiempo necesario para que las señales ascendentes se transmitan descendentemente. Dado que la onda sonora es una onda mecánica elástica con vibración longitudinal, su propagación necesita la ayuda del movimiento molecular del medio de propagación. Debido a factores como la absorción, la dispersión y la difusión de las ondas sonoras en el medio de propagación, la intensidad, la presión y la energía del sonido se debilitan, lo que resulta en la atenuación del sonido. Y la medición de transmisor de nivel ultrasónico Se necesita formar una reflexión de infrasonido en el nivel de líquido medido, lo que también causará la atenuación de las ondas acústicas. Las ondas sonoras decaen exponencialmente según la distancia de propagación. Cuando la altura del nivel de líquido es diferente, la distancia de transmisión de las ondas sonoras también varía, y la amplitud de las ondas recibidas también tendrá diferencias significativas. El sistema comienza a cronometrar cuando la sonda emite ultrasonido y lo detiene cuando la amplitud de la señal recibida supera el umbral establecido. Cuando la altura del nivel de líquido cambia, la amplitud de la señal recibida también cambiará. Cuando el nivel de líquido es relativamente bajo, la amplitud de la señal recibida es relativamente pequeña, y puede que necesite alcanzar el umbral en el cuarto pico; cuando el nivel de líquido es relativamente alto, la amplitud de la señal recibida es relativamente grande, y el umbral puede alcanzarse en el tercero o incluso antes. En este caso, el tiempo para detener el cronometraje no es fijo, y esta incertidumbre en el tiempo inevitablemente generará errores en la precisión de la medición del sistema. Si el error de tiempo de tránsito se aplica a 1000 m³, los tanques de almacenamiento de petróleo mencionados anteriormente producirán un gran error absoluto, por lo que este error debe eliminarse y calibrarse.

2. Método de calibración para el error de tiempo en el juego

La adición de un circuito de control de tiempo (TGC) es actualmente un método relativamente sencillo para eliminar los errores de tiempo de tránsito. Al utilizar un circuito TGC para compensar la atenuación de las ondas sonoras durante su propagación, la amplitud de las ondas recibidas se mantiene prácticamente constante bajo diversas condiciones de nivel de líquido, con el fin de minimizar al máximo los errores de medición. Sin embargo, este método presenta limitaciones significativas debido a la necesidad de predecir el tiempo de propagación de las ondas sonoras a diferentes niveles de líquido y la atenuación de las ondas sonoras dentro de esta distancia, para luego trazar una curva basada en la relación correspondiente entre ambos y diseñar un circuito de control de ganancia de tiempo que se ajuste a la ecuación de esta curva.

Del texto anterior se desprende que los factores importantes en la medición del tiempo de propagación y la atenuación se ven fácilmente afectados por el entorno in situ y no siempre coinciden con la curva preestablecida. De hecho, incluso si la curva ajustada es muy precisa, diseñar un circuito TGC que se ajuste perfectamente a ella no es sencillo. Por lo tanto, es inevitable introducir nuevos errores en la compensación.

Para eliminar por completo el error de tiempo de tránsito, el proceso de transformación de la señal del circuito receptor consiste en preprocesar la señal recibida, extraer la envolvente tras la detección de corriente continua y aplicar un procesamiento diferencial a dicha envolvente. Mediante este proceso, independientemente de la amplitud de la señal recibida, el pico de su envolvente debe coincidir con el centro temporal de la señal recibida, es decir, con el cruce por cero de la señal diferencial. Por lo tanto, la señal de sincronización de parada generada por el circuito de detección de cruce por cero debe coincidir con el centro temporal de la señal de eco y no variará debido a la amplitud de la señal, eliminando así por completo el error de tiempo de tránsito.

Error de precisión de la velocidad del sonido de referencia y su método de calibración

Sabemos que conocemos la velocidad del sonido C y el tiempo de transmisión T. Según la fórmula S = C × T/2, se puede calcular la distancia S. El tiempo de propagación de la onda ultrasónica es un resultado intermedio de la medición del sensor de nivel. Al utilizar un sensor de nivel ultrasónico para medir el nivel de un líquido, también es necesario conocer la velocidad de propagación de la onda ultrasónica en el aire. Por lo tanto, la precisión de la velocidad de propagación ultrasónica influye considerablemente en la precisión de la medición del sensor de nivel ultrasónico.

En la práctica, existen dos métodos de calibración para corregir errores en la precisión de la velocidad del sonido: la compensación de temperatura y la compensación de la velocidad del sonido en tiempo real.

1. Compensación de temperatura

En el proceso de medición con sensores de nivel ultrasónicos, existen muchos factores que afectan la velocidad del sonido, como la temperatura, la densidad del gas, la presión atmosférica, la humedad y la presencia de sólidos en suspensión. De estos factores, la temperatura es el más importante; sin embargo, también deben considerarse otros factores, ya que de lo contrario se producirán desviaciones en la calibración de la velocidad del sonido, lo que impedirá alcanzar la precisión requerida en las mediciones. En general, los métodos de compensación de temperatura solo son adecuados para aplicaciones generales que no exigen una alta precisión de medición.

2. Compensación de la velocidad del sonido en tiempo real

La práctica ha demostrado que, influenciados por factores complejos como el entorno y los métodos de medición, es necesario introducir nuevos errores independientemente de las fórmulas empíricas y los datos utilizados para compensar la velocidad del sonido. Actualmente, el método de utilizar la velocidad del sonido medida para la compensación de la velocidad del sonido se considera el método de compensación más fiable.

Instale un deflector en el extremo frontal de la sonda emisora, que forma un intervalo de trayectoria sonora fijo con la sonda. Esta estructura se denomina marco de trayectoria sonora. Cuando la sonda emite ondas sonoras, el deflector puede reflejar una parte de ellas de vuelta a la sonda. Tras recibir la onda reflejada, la sonda calcula el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción, y determina la velocidad del sonido.

Al utilizar el método de velocidad sonora medida para la compensación, dado que la velocidad sonora de compensación es muy similar al entorno donde se encuentra la trayectoria de propagación de la onda sonora medida, y el impacto ambiental es prácticamente el mismo, la velocidad sonora suele ser relativamente cercana. Por lo tanto, este método es actualmente el más preciso para la corrección de la velocidad sonora. Al utilizar este método, para evitar la dilatación térmica del soporte de la trayectoria sonora debido a los cambios en la temperatura ambiente, lo que alteraría la distancia de la trayectoria sonora y afectaría la precisión de la velocidad sonora medida, el soporte de la trayectoria sonora debe estar fabricado con materiales de bajo coeficiente de dilatación térmica.

Error del sistema y su método de calibración

El error del sistema se genera principalmente por el retardo del sistema, y ​​el retardo del circuito de hardware, el retardo de respuesta a interrupciones del microcontrolador, el retardo de respuesta de la sonda, etc., son las principales fuentes de retardo del sistema. Para el sensor de nivel ultrasónico que funciona en estado de emisión de pulsos, después de que el microcontrolador envía la orden de emisión cada vez, el circuito amplificador de potencia de transmisión puede alcanzar el estado de emisión solo después de un proceso de acumulación de energía. Al mismo tiempo, la cerámica piezoeléctrica en la sonda también tiene un proceso de inicio de vibración, y también requiere cierto tiempo para alcanzar la frecuencia de vibración de 40 kHz. El tiempo comienza desde la emisión de la orden, por lo que el retardo del sistema debe considerarse y compensarse en el software.

Además, al medir niveles de líquido mediante ultrasonidos, la distancia entre el nivel del líquido y la superficie frontal de la sonda se mide desde dicha superficie. De hecho, el centro acústico de la cerámica piezoeléctrica no se encuentra en su superficie. Por lo tanto, la distancia entre la superficie de la sonda y el centro acústico también puede provocar errores en el sistema, los cuales pueden clasificarse como una diferencia de retardo y corregirse conjuntamente.

Para los sensores de nivel ultrasónicos del mismo modelo o lote, dado que los componentes, materiales y procesos utilizados son los mismos, el retardo del sistema también es similar y presenta un valor relativamente fijo. Por lo tanto, el retardo del sistema puede calibrarse y corregirse mediante pruebas a distancia fija.