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          关于大量程超声波料位计传播的实际路径及计算算法修正讨论

          来源: 作者: 发布日期:2020-07-01 09:59:40

                  摘要: 随着现代科学技术的不断提升,煤矿、铁矿、造纸、稀土等行业的自动化水平取得飞速发展,能否稳定、准确、智能地测量料位决定着这些行业是否能够向现代化、智能化发展。测量料位的方法有很多,其中超声波料位计采用非接触方式,能够有效避免光线、粉尘、烟雾和电磁干扰的影响。研究和设计精度高、稳定性好、性价比高的超声波液位计是充满挑战性和具有现实意义的课题。考虑到超声波的传播速度受温度的影响较大,推导出带有温度补偿的速度修正计算公式,并应用在软件算法中;为了进一步提高测量精度,本文还详细分析了超声波传播的实际路径并给出了计算公式。

           
          1 速度与温度关系修正
                  超声波在空气中的传播速度随温度的变化而变化,为了提高超声波测量的准确度,就必须进行温度补偿,校正超声波传播速度。超声波传播速度 v 与相对温度 T 的计算公式如下:
          v=331.4+0.607T (1)
                  在采集环境温度过程中,可以采用以几种方案:
           
          1.1 采用半导体热敏电阻 
                  半导体热敏电阻是一种电阻值随温度变化而改变的电阻,半导体热敏电阻大多数都是采用半导体材料经过特殊的处理工艺制造而成的,大多数半导体热敏电阻是负温度系数,其电阻的大小会随着环境温度的降低而增加。
           
                  半导体热敏电阻的阻值受温度的影响较大,是一种非常灵敏的温度传感器。但半导体热敏电阻的线性度较差,并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。半导体热敏电阻体积非常小,对温度变化的响应也快。但半导体热敏电阻需要使用电流源,小尺寸也使它对自热误差极为敏感。
           
                  半导体热敏电阻采用的原理是温度引起电阻变化。假设半导体热敏电阻内部的电子和空穴的浓度大小为 n 和p,其电子和空穴在材料内部的迁移率分别为 u n 、μ p ,那么该半导体热敏电阻的电导为:
                  σ=q(nμ n +pμ p ) (2)
                  由于 n、p、μ n 、μ p 都与温度的大小有一定的关系,因此,当温度变化的时候,半导体热敏电阻的电阻大小也会发生一定的变化,并且这种变化有一定的规律,这就是半导体热敏电阻的工作原理。
           
                  将半导体热敏电阻接入电路以后,再将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行 A/D 转换后,接入处理器进行数据的处理,就可以得到环境温度。这种设计需要用到 A/D 转换电路,成本适中,但是非线性太大,使得后续的数据处理比较麻烦,互换性较差,非线性严重,测温范围只有-50℃-300℃左右,大量用于家电和汽车用温度检测和控制。
           
          图 1 是一种比较简单的热敏电阻的温度电压转换电路。
           
          1.2 采用经典的铂电阻 
          PT100 PT100 的电阻随着温度的变化会发生改变,不同的温度对应不同的电阻值,电阻的重复性和稳定性都较好,在程控制中的应用极其广泛,其缺点是转换电路较为复杂,往往需要采用电桥进行测量,成本较高。
           
          一般对于金属热电阻而言,它的电阻值大小和环境温度可以采用如下公式来进行换算,这个关系是采用了近似处理的,即:
          R t =R t0 [1+α(t-t 0 )]
          热敏电阻感应温度得电路连接图
          式中,R t 代表在环境温度为 t 的情况下,金属的电阻阻值;R t0 代表在环境温度为 t 0 的情况下,金属的电阻阻值,通常情况下,t 0 取 0℃,此时对应的电阻值为 R t0 ;α 为该金属的温度系数。
           
          对于 PT100 来说,其连接方式有四线制和两线制,四线制主要用于消除引线较长时产生的电阻误差,而两线制一般用在引线较短或温度测量精度要求不高的场合;市场上有很多现成的 PT100 温度变送器模块,上面有接线端子,直接量 PT100 的引线接到温度变送器上,温度就能够直接显示,使用十分方便。
           
          1.3 采用温度数字式温度传感器 DS18B20 
          DS18B20是一种单总线温度传感器,其直接将温度转换为数字量,转换的位数可在 9~12 位之间进行选择,该温度传感器的误差为 0.5℃,测量范围在-55℃到 125℃之间,完全满足工业现场料位测量的要求,线路连接简单,价格也仅为 5 元每片,有较高的性价比。
           
          2 超声波传播路径修正
          由于工业现场超声波发射和接收模块的安装不可能在同一点,尤其是增加保护模块以后,超声波发射模块和接收模块是有一定距离的,因此超声波的发射路径和接受路径不会是平行的,也并不相同,如果直接采用计算公式20200701100102.jpg,当料位较低时,由于超声波发射端和料位的表面距离较远,因而传播路径也较远,如果采用平行传播路径代替实际传播路径,此时产生的误差相对较小;但在料位较高时,传播路径较短,误差相对较大;因而采用实际的传播路径修正简化的平行传播路径是十分必要的,这样测量的液位才是准确的。其实际传播路径如图 2 所示。
          料位计中超声波实际传播路径
          依据图 2,假设超声波发射信号从发射到接收的时间
          2y=vt (4)
          根据勾股定理可以得到
          20200701100224.jpg
          由图 2 中的几何关系可以进一步得到
          h=H-L (6)
          联立式(4)、式(5)、式(6)可以得到非常终的液位关系表达式,这个计算公式是按照超声波传播的实际路径进行推导的,准确度比公式20200701100102.jpg
          20200701100310.jpg
           
          假设超声波发射模块和接收模块安装的距离为0.5m,和装料容器底部的距离 H=10m,超声波传播速度为340m/s,传播时间为 0.02s,超声波那么依据公式和公式(7)计算的结果如下:
          20200701100332.jpg
           
          此时的误差仅为 0.009m,这个值是相对较小的。但是如果传播时间为 0.002s,再次依据公式 20200701100102.jpg和公式(7)计算的结果如下:
          20200701100349.jpg
          此时的误差就达到了 0.11m,相对于精度较高的料位测量来说,是不被允许的。

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