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關于大量程超聲波料位計傳播的實際路徑及計算算法修正討論

來源: 作者: 發布日期:2020-07-01 09:59:40

        摘要: 隨著現代科學技術的不斷提升,煤礦、鐵礦、造紙、稀土等行業的自動化水平取得飛速發展,能否穩定、準確、智能地測量料位決定著這些行業是否能夠向現代化、智能化發展。測量料位的方法有很多,其中超聲波料位計采用非接觸方式,能夠有效避免光線、粉塵、煙霧和電磁干擾的影響。研究和設計精度高、穩定性好、性價比高的超聲波液位計是充滿挑戰性和具有現實意義的課題。考慮到超聲波的傳播速度受溫度的影響較大,推導出帶有溫度補償的速度修正計算公式,并應用在軟件算法中;為了進一步提高測量精度,本文還詳細分析了超聲波傳播的實際路徑并給出了計算公式。

 
1 速度與溫度關系修正
        超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度的變化而變化,為了提高超聲波測量的準確度,就必須進行溫度補償,校正超聲波傳播速度。超聲波傳播速度 v 與相對溫度 T 的計算公式如下:
v=331.4+0.607T (1)
        在采集環境溫度過程中,可以采用以幾種方案:
 
1.1 采用半導體熱敏電阻 
        半導體熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化而改變的電阻,半導體熱敏電阻大多數都是采用半導體材料經過特殊的處理工藝制造而成的,大多數半導體熱敏電阻是負溫度系數,其電阻的大小會隨著環境溫度的降低而增加。
 
        半導體熱敏電阻的阻值受溫度的影響較大,是一種非常靈敏的溫度傳感器。但半導體熱敏電阻的線性度較差,并且與生產工藝有很大關系。制造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。半導體熱敏電阻體積非常小,對溫度變化的響應也快。但半導體熱敏電阻需要使用電流源,小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。
 
        半導體熱敏電阻采用的原理是溫度引起電阻變化。假設半導體熱敏電阻內部的電子和空穴的濃度大小為 n 和p,其電子和空穴在材料內部的遷移率分別為 u n 、μ p ,那么該半導體熱敏電阻的電導為:
        σ=q(nμ n +pμ p ) (2)
        由于 n、p、μ n 、μ p 都與溫度的大小有一定的關系,因此,當溫度變化的時候,半導體熱敏電阻的電阻大小也會發生一定的變化,并且這種變化有一定的規律,這就是半導體熱敏電阻的工作原理。
 
        將半導體熱敏電阻接入電路以后,再將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來,進行 A/D 轉換后,接入處理器進行數據的處理,就可以得到環境溫度。這種設計需要用到 A/D 轉換電路,成本適中,但是非線性太大,使得后續的數據處理比較麻煩,互換性較差,非線性嚴重,測溫范圍只有-50℃-300℃左右,大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。
 
圖 1 是一種比較簡單的熱敏電阻的溫度電壓轉換電路。
 
1.2 采用經典的鉑電阻 
PT100 PT100 的電阻隨著溫度的變化會發生改變,不同的溫度對應不同的電阻值,電阻的重復性和穩定性都較好,在程控制中的應用極其廣泛,其缺點是轉換電路較為復雜,往往需要采用電橋進行測量,成本較高。
 
一般對于金屬熱電阻而言,它的電阻值大小和環境溫度可以采用如下公式來進行換算,這個關系是采用了近似處理的,即:
R t =R t0 [1+α(t-t 0 )]
熱敏電阻感應溫度得電路連接圖
式中,R t 代表在環境溫度為 t 的情況下,金屬的電阻阻值;R t0 代表在環境溫度為 t 0 的情況下,金屬的電阻阻值,通常情況下,t 0 取 0℃,此時對應的電阻值為 R t0 ;α 為該金屬的溫度系數。
 
對于 PT100 來說,其連接方式有四線制和兩線制,四線制主要用于消除引線較長時產生的電阻誤差,而兩線制一般用在引線較短或溫度測量精度要求不高的場合;市場上有很多現成的 PT100 溫度變送器模塊,上面有接線端子,直接量 PT100 的引線接到溫度變送器上,溫度就能夠直接顯示,使用十分方便。
 
1.3 采用溫度數字式溫度傳感器 DS18B20 
DS18B20是一種單總線溫度傳感器,其直接將溫度轉換為數字量,轉換的位數可在 9~12 位之間進行選擇,該溫度傳感器的誤差為 0.5℃,測量范圍在-55℃到 125℃之間,完全滿足工業現場料位測量的要求,線路連接簡單,價格也僅為 5 元每片,有較高的性價比。
 
2 超聲波傳播路徑修正
由于工業現場超聲波發射和接收模塊的安裝不可能在同一點,尤其是增加保護模塊以后,超聲波發射模塊和接收模塊是有一定距離的,因此超聲波的發射路徑和接受路徑不會是平行的,也并不相同,如果直接采用計算公式20200701100102.jpg,當料位較低時,由于超聲波發射端和料位的表面距離較遠,因而傳播路徑也較遠,如果采用平行傳播路徑代替實際傳播路徑,此時產生的誤差相對較小;但在料位較高時,傳播路徑較短,誤差相對較大;因而采用實際的傳播路徑修正簡化的平行傳播路徑是十分必要的,這樣測量的液位才是準確的。其實際傳播路徑如圖 2 所示。
料位計中超聲波實際傳播路徑
依據圖 2,假設超聲波發射信號從發射到接收的時間
2y=vt (4)
根據勾股定理可以得到
20200701100224.jpg
由圖 2 中的幾何關系可以進一步得到
h=H-L (6)
聯立式(4)、式(5)、式(6)可以得到非常終的液位關系表達式,這個計算公式是按照超聲波傳播的實際路徑進行推導的,準確度比公式20200701100102.jpg
20200701100310.jpg
 
假設超聲波發射模塊和接收模塊安裝的距離為0.5m,和裝料容器底部的距離 H=10m,超聲波傳播速度為340m/s,傳播時間為 0.02s,超聲波那么依據公式和公式(7)計算的結果如下:
20200701100332.jpg
 
此時的誤差僅為 0.009m,這個值是相對較小的。但是如果傳播時間為 0.002s,再次依據公式 20200701100102.jpg和公式(7)計算的結果如下:
20200701100349.jpg
此時的誤差就達到了 0.11m,相對于精度較高的料位測量來說,是不被允許的。

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