Измерение уровня воды в баке

Уровень воды в баке измеряется с помощью герметичного ультразвукового измерителя расстояния DA10 HC-SR04. Измерение производится путём определения расстояния от места установки датчика до зеркала воды в баке определением времени прохождения ультразвуковых колебаний, при этом в [9] указано, что расстояние до объекта в сантиметрах определяется с помощью уравнения:

(3).

где Т_изм—интервал времени между восходящим фронтом импульса старта измерений на входе TRIG и восходящим фронтом импульса на выходе ECHO, мкс.

Также в технической документации указано, что погрешность измерений не превышает dL=3мм.

Применение встроенного аппаратного шестнадцатиразрядного таймера так же позволяет упростить процедуру измерений. Таймер запускается одновременно с подачей на вход импульса начала измерений, и останавливается при изменении состояния на измерительном входе микроконтроллера (режим «Gate Control»), то есть при появлении высокого уровня на выходе ECHO измерительного устройства.

Таким образом, в таймере по возвращении сигнала будет присутствовать интервал времени между посылкой сигнала начала измерений и появлением сигнала ECHO, обработка которого согласно формуле (3) позволит получить расстояние до зеркала воды. Далее объём воды в баке определяется следующей формулой:

(4).

где S_осн—площадь основания бака, м2;

L_бак—высота установки датчика уровня воды относительно дна бака, м.

Предел измерений таймера составляет 65 536 мкс, в то время как измерение максимального расстояния в 4,00 м занимает:

(5).

что меньше предела измерения таймера, поэтому переполнения таймера в нормальном режиме произойти не может. Его переполнение может произойти только в случае отказа датчика, что может быть использовано для диагностирования неполадки в системе.

В инструкции [10] так же отмечено, что плоский угол излучения при измерении составляет не более б=30є, поэтому для устранения ошибки, вызванной отражением излучаемого сигнала от стенок зоны измерения, необходимо, чтобы излучённый сигнал в первую очередь достигал поверхности, до которой производится измерение расстояния, то есть поверхности воды (рис.2).

Рисунок 2 — Распространение ультразвуковой волны Расчёты показывают, что при измерении максимального расстояния L_max=0,5 м диаметр окружности основания бака (или диаметр вписанной окружности в случае бака с другой формой основания) составляет:

(6).

площадь основания которого составит:

.(7).

Таким образом для указанного бака объёмом:

(8).

точность измерения объёма воды составляет:

.(9).

Успешное вычисление объёма воды в баке на основании измерении уровня воды ультразвуковым датчиком возможно при соблюдении условия:

(10).

В качестве бака для проведения исследований используется цилиндрический бак с диаметром основания D=70 см и высотой H=57 см, для которого условие (10).

(11).

выполняется. Допустимый объём воды в баке составляет:

(12).

L_min—минимальное расстояние от ультразвукового датчика до измеряемого объекта, L_min=0,02 м, а разрешающая способность по объёму составит:

(13).

что составляет 1,15/211=0,54% объёма бака.