Método de calibração de sensor de nível ultrassônico sob diferentes erros

Método de calibração de sensor de nível ultrassônico sob diferentes erros

Na medição de nível de líquidos, o sensor de nível ultrassônico é um tipo de instrumento de medição de nível de material sem contato amplamente utilizado. No entanto, na prática, fatores como temperatura, umidade, poeira, composição química do líquido medido e outros podem afetar a precisão da medição. Sensor de nível ultrassônico por atacado Em diferentes graus, é necessário dominar os métodos de calibração para os diversos erros causados ​​por diferentes fatores, a fim de obter medições precisas. A seguir, apresentaremos os métodos de calibração e as medidas de compensação do sensor de nível ultrassônico sob diferentes condições de erro.

Erro de tempo de trânsito e seu método de calibração

1. Erro no tempo de trânsito

O tempo de trânsito refere-se ao tempo necessário para que os sinais a montante sejam transmitidos a jusante. Como a onda sonora é uma onda mecânica elástica com vibração longitudinal, sua propagação necessita do auxílio do movimento molecular do meio de propagação. Devido a fatores como absorção, dispersão e difusão das ondas sonoras no meio de propagação, a intensidade, a pressão e a energia do som são enfraquecidas, resultando na atenuação sonora. E a medição de transmissor de nível ultrassônico É necessário que se forme uma reflexão de infrassom no nível do líquido medido, o que também causará a atenuação das ondas acústicas. As ondas sonoras decaem exponencialmente de acordo com a distância de propagação. Quando a altura do nível do líquido é diferente, a distância de transmissão das ondas sonoras também varia, e a amplitude das ondas recebidas também apresentará diferenças significativas. O sistema inicia a contagem do tempo quando a sonda emite ultrassom e a interrompe quando a amplitude do sinal recebido excede o limite definido. Quando a altura do nível do líquido muda, a amplitude do sinal recebido também muda. Quando o nível do líquido é relativamente baixo, a amplitude do sinal recebido é relativamente pequena e pode ser necessário atingir o limite no quarto pico; quando o nível do líquido é relativamente alto, a amplitude do sinal recebido é relativamente grande e o limite pode ser atingido no terceiro pico ou até mesmo antes. Nesse caso, o tempo para interromper a contagem do tempo não é fixo, e essa incerteza no tempo inevitavelmente introduzirá erros na precisão da medição do sistema. Se o erro de tempo de trânsito for aplicado a tanques de armazenamento de óleo de 1000 m³, produzirá um grande erro absoluto; portanto, esse erro deve ser eliminado e calibrado.

2. Método de calibração para erro de tempo de jogo

A adição de um circuito de controle de tempo (TGC) é atualmente um método relativamente simples para eliminar erros de tempo de trânsito. Utilizando um circuito TGC para compensar a atenuação das ondas sonoras durante a propagação, a amplitude das ondas recebidas permanece basicamente consistente sob diversas condições de nível do líquido, minimizando ao máximo os erros de medição. Entretanto, devido à necessidade de prever o tempo de propagação das ondas sonoras em diferentes níveis de líquido e a atenuação das ondas sonoras dentro dessa distância, e então traçar uma curva com base na relação correspondente entre os dois, e projetar um circuito de controle de ganho de tempo que se ajuste a essa equação da curva, esse método apresenta limitações significativas.

A partir do texto anterior, percebe-se que os fatores importantes na medição do tempo de propagação e da atenuação são facilmente afetados pelo ambiente local e não se ajustam bem à curva pré-planejada. De fato, mesmo que a curva ajustada seja muito precisa, projetar um circuito TGC que se ajuste perfeitamente a ela não é tarefa fácil. Dessa forma, é inevitável a introdução de novos erros na compensação.

Para eliminar completamente o erro de tempo de trânsito, o processo de transformação de sinal do circuito receptor consiste em pré-processar o sinal recebido, extrair o envelope do sinal após a detecção de componente DC e realizar o processamento diferencial do envelope. Através do processo de transformação de sinal, independentemente da amplitude do sinal recebido, o pico do seu envelope deve estar no centro temporal do sinal recebido, ou seja, na passagem por zero do sinal diferencial. Portanto, o sinal de parada gerado pelo circuito de detecção de passagem por zero deve estar no centro temporal do sinal de eco e não se alterará devido à amplitude do sinal, eliminando assim completamente o erro de tempo de trânsito.

Erro de precisão da velocidade do som de referência e seu método de calibração

Conhecendo a velocidade do som C e o tempo de propagação T, podemos calcular a distância S pela fórmula S = C × T/2. O tempo de propagação da onda ultrassônica é um parâmetro intermediário na medição do sensor de nível. Ao utilizar um sensor de nível ultrassônico para medir o nível de líquidos, é fundamental conhecer a velocidade de propagação da onda ultrassônica no ar. Portanto, a precisão da velocidade de propagação ultrassônica impacta diretamente a precisão da medição do sensor de nível ultrassônico.

Na prática, existem dois métodos de calibração para erros de precisão na velocidade do som: compensação de temperatura e compensação de velocidade do som em tempo real.

1. Compensação de temperatura

No processo de medição de um sensor de nível ultrassônico, muitos fatores afetam a velocidade do som, incluindo temperatura, densidade do gás, pressão atmosférica, umidade, sólidos em suspensão no ar, etc. Dentre esses fatores, a temperatura é o mais importante, mas os demais também devem ser considerados para evitar desvios na calibração da velocidade do som, o que compromete a precisão necessária para medições. De modo geral, os métodos de compensação de temperatura são adequados apenas para aplicações gerais que não exigem alta precisão de medição.

2. Compensação da velocidade do som em tempo real

A prática tem demonstrado que, influenciado por fatores complexos como o ambiente e os métodos de medição, é necessário introduzir novos erros, independentemente das fórmulas empíricas e dos dados utilizados para compensar a velocidade do som. O método de utilização da velocidade do som medida para a compensação da velocidade do som é atualmente considerado o método de compensação mais confiável.

Instale um defletor na extremidade frontal da sonda emissora, que forme um intervalo fixo no percurso do som com a sonda. Essa estrutura é chamada de estrutura de percurso sonoro. Quando a sonda emite ondas sonoras, o defletor pode refletir uma parte dessas ondas de volta para a sonda. Após receber a onda refletida, a sonda calcula o tempo decorrido entre a emissão e a recepção e, consequentemente, a velocidade do som.

Utilizando o método de compensação da velocidade do som medida, como a velocidade do som compensada é muito semelhante à do ambiente onde o percurso da onda sonora medida se encontra, e o impacto ambiental é basicamente o mesmo, a velocidade do som geralmente é relativamente próxima, sendo este o método de correção de velocidade do som mais preciso atualmente. Ao utilizar este método, para evitar a expansão térmica do suporte do percurso sonoro devido a mudanças na temperatura ambiente, que alteraria a distância do percurso sonoro e afetaria a precisão da velocidade do som medida, o suporte do percurso sonoro deve ser feito de materiais com baixo coeficiente de expansão térmica.

Erro do sistema e seu método de calibração

O erro do sistema é gerado principalmente pelo atraso do sistema, sendo o atraso do circuito de hardware, o atraso de resposta à interrupção do microcontrolador, o atraso de resposta da sonda, etc., as principais fontes de atraso do sistema. Para o sensor de nível ultrassônico operando em estado de emissão de pulsos, após o microcontrolador enviar o comando de emissão a cada vez, o circuito amplificador de potência de transmissão só atinge o estado de emissão após um processo de acumulação de energia. Ao mesmo tempo, a cerâmica piezoelétrica na sonda também possui um processo de vibração inicial, e leva um certo tempo para atingir a frequência de vibração de 40 kHz. A contagem do tempo começa a partir da emissão do comando, portanto, o atraso do sistema deve ser considerado e compensado por software.

Além disso, ao medir níveis de líquidos por ultrassom, a distância do nível do líquido é medida da superfície frontal da sonda até o nível do líquido, e, na realidade, o centro acústico da cerâmica piezoelétrica não está em sua superfície. Portanto, a distância da superfície da sonda até o ponto central acústico também pode causar erros no sistema, que podem ser classificados como diferença de atraso temporal e corrigidos em conjunto.

Para sensores de nível ultrassônicos do mesmo modelo ou lote, como os componentes, materiais e processos utilizados são os mesmos, o atraso do sistema também é semelhante e apresenta um valor relativamente fixo. Portanto, o atraso do sistema pode ser calibrado e corrigido por meio de testes a distâncias fixas.