Метод калибровки ультразвукового датчика уровня при различных погрешностях

Метод калибровки ультразвукового датчика уровня при различных погрешностях

В измерении уровня жидкости ультразвуковой датчик уровня является широко используемым бесконтактным прибором для измерения уровня материала. Однако на практике точность измерения может снижаться из-за таких факторов, как температура, влажность, пыль, химический состав измеряемой жидкости и другие. Оптовая продажа ультразвуковых датчиков уровня Для достижения точных измерений в различной степени необходимо освоить методы калибровки различных погрешностей, вызванных разными факторами. Далее мы рассмотрим методы калибровки и меры компенсации ультразвукового датчика уровня при различных погрешностях.

Ошибка времени прохождения и метод ее калибровки

1. Ошибка, связанная со временем доставки

Время прохождения сигнала — это время, необходимое для передачи сигналов от источника к источнику. Поскольку звуковая волна является упругой механической волной с продольными колебаниями, для её распространения необходимо участие молекулярного движения среды распространения. Из-за таких факторов, как поглощение, рассеяние и диффузия звуковых волн в среде распространения, интенсивность, давление и энергия звука ослабевают, что приводит к затуханию звука. Измерение... ультразвуковой датчик уровня Необходимо сформировать инфразвуковое отражение на измеряемом уровне жидкости, что также вызовет затухание акустических волн. Звуковые волны затухают экспоненциально в зависимости от расстояния распространения. При изменении высоты уровня жидкости расстояние передачи звуковых волн также изменяется, и амплитуда принимаемых волн также будет иметь значительные различия. Система начинает отсчет времени, когда зонд излучает ультразвук, и останавливает отсчет времени, когда амплитуда принимаемого сигнала превышает установленный порог. При изменении высоты уровня жидкости амплитуда принимаемого сигнала также изменяется. Когда уровень жидкости относительно низкий, амплитуда принимаемого сигнала относительно мала, и может потребоваться достижение порога на четвертом пике; когда уровень жидкости относительно высокий, амплитуда принимаемого сигнала относительно велика, и порог может быть достигнут на третьем или даже более раннем пике. В этом случае время остановки отсчета времени не фиксировано, и эта неопределенность во времени неизбежно приведет к ошибкам в точности измерения системы. Если ошибка, связанная со временем прохождения, применяется к резервуарам объемом 1000 м³, то в таких резервуарах возникнет большая абсолютная погрешность, поэтому эту погрешность необходимо устранить и откалибровать.

2. Метод калибровки ошибки, связанной со временем, затраченным на азартные игры.

Добавление схемы управления временем (TGC) в настоящее время является относительно простым методом устранения ошибок, связанных со временем распространения звука. Использование схемы TGC для компенсации затухания звуковых волн во время распространения позволяет добиться практически постоянной амплитуды принимаемых волн при различных уровнях жидкости, что сводит к минимуму ошибки измерения. Однако, из-за необходимости прогнозирования времени распространения звуковых волн на разных уровнях жидкости и затухания звуковых волн на этом расстоянии, построения кривой на основе соответствующей зависимости между ними и разработки схемы управления коэффициентом усиления по времени, соответствующей уравнению этой кривой, данный метод имеет существенные ограничения.

Из предыдущего текста видно, что важные факторы при измерении времени распространения и затухания легко подвержены влиянию окружающей среды и не всегда хорошо согласуются с заранее спланированной кривой. Фактически, даже если подобранная кривая очень точна, разработка схемы TGC, идеально ей соответствующей, — непростая задача. Таким образом, неизбежно возникают новые ошибки при компенсации.

Для полного устранения ошибки времени прохождения сигнала процесс преобразования сигнала в приемной схеме включает предварительную обработку принятого сигнала, выделение огибающей сигнала после обнаружения постоянного тока и выполнение дифференциальной обработки огибающей. В процессе преобразования сигнала, независимо от амплитуды принятого сигнала, пик его огибающей должен находиться в центре времени принятого сигнала, то есть в точке пересечения с нулем дифференциального сигнала. Следовательно, сигнал остановки, генерируемый схемой обнаружения пересечения с нулем, должен находиться в центре времени эхо-сигнала и не изменяться из-за амплитуды сигнала, что полностью устраняет ошибку времени прохождения сигнала.

Эталонная погрешность точности измерения скорости звука и метод ее калибровки.

Известно, что скорость звука C и время распространения T равны, и по формуле S = C × T/2 можно рассчитать расстояние S. Время распространения ультразвуковой волны является промежуточным результатом измерения с помощью датчика уровня. При использовании ультразвукового датчика уровня для измерения уровня жидкости также необходимо знать скорость распространения ультразвуковой волны в воздухе. Поэтому точность измерения скорости распространения ультразвука оказывает большое влияние на точность измерения с помощью ультразвукового датчика уровня.

На практике существует два метода калибровки погрешностей точности измерения скорости звука: температурная компенсация и компенсация скорости звука в реальном времени.

1. Температурная компенсация

В процессе измерения с помощью ультразвукового датчика уровня на скорость звука влияет множество факторов, включая температуру, плотность газа, давление воздуха, влажность, наличие взвешенных частиц в воздухе и т. д. Среди этих факторов температура является наиболее важным фактором, влияющим на скорость звука, однако следует учитывать и другие факторы, иначе возникнут отклонения в калибровке скорости звука, что не позволит обеспечить высокоточное измерение. В целом, методы температурной компенсации подходят только для общих применений, не требующих высокой точности измерения.

2. Компенсация скорости звука в реальном времени

Практика показала, что под влиянием сложных факторов, таких как условия и методы измерений, необходимо вносить новые ошибки независимо от эмпирических формул и данных, используемых для компенсации скорости звука. Метод использования измеренной скорости звука для компенсации скорости звука в настоящее время считается наиболее надежным методом компенсации.

На переднем конце излучающего зонда устанавливается перегородка, образующая фиксированный интервал звукового пути с зондом. Эта конструкция называется рамой звукового пути. Когда зонд излучает звуковые волны, перегородка может отражать часть звуковых волн обратно к зонду. После приема отраженной волны зонд вычисляет время от излучения до приема и определяет скорость звука.

При использовании метода компенсации на основе измеренной скорости звука, поскольку скорость звука, подлежащая компенсации, очень похожа на скорость звука в окружающей среде, где находится путь распространения измеряемой звуковой волны, и влияние окружающей среды в основном одинаково, скорость звука обычно относительно близка, поэтому этот метод в настоящее время является наиболее точным методом коррекции скорости звука. При использовании этого метода, чтобы избежать теплового расширения держателя звукового тракта из-за изменений температуры окружающей среды, что изменит расстояние распространения звука и повлияет на точность измерения скорости звука, держатель звукового тракта должен быть изготовлен из материалов с низким коэффициентом температурного расширения.

Системная ошибка и метод ее калибровки

Системная ошибка в основном возникает из-за системной задержки, и основными источниками системной задержки являются задержка аппаратной схемы, задержка ответа микроконтроллера на прерывание, задержка ответа датчика и т.д. Для ультразвукового датчика уровня, работающего в режиме импульсного излучения, после того, как микрокомпьютер отправляет команду излучения, схема усилителя мощности передачи может перейти в режим излучения только после процесса накопления энергии. В то же время пьезоэлектрическая керамика в датчике также проходит процесс начала вибрации, и для достижения частоты вибрации 40 кГц требуется определенное время. Отсчет времени начинается с момента отправки команды, поэтому системную задержку необходимо учитывать и компенсировать программно.

Кроме того, при измерении уровня жидкости с помощью ультразвука расстояние от передней поверхности зонда до уровня жидкости измеряется, и фактически акустический центр пьезоэлектрической керамики находится не на её поверхности. Поэтому расстояние от поверхности зонда до акустического центра также может вызывать системные ошибки, которые можно классифицировать как разницу во временной задержке и корректировать совместно.

Для ультразвуковых датчиков уровня одной и той же модели или партии, поскольку используемые компоненты, материалы и процессы одинаковы, задержка системы также схожа и имеет относительно фиксированное значение. Поэтому задержку системы можно откалибровать и скорректировать путем тестирования на фиксированном расстоянии.