تطبيق تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية في قياس التدفق الذكي

في السوق الصناعية، تلعب شرائح أشباه الموصلات دورًا كبيرًا في تحويل المعدات الميكانيكية إلى معدات كهروميكانيكية أو إلكترونية بحتة. يمكن تقسيم كل قطاع من قطاعات السوق إلى العديد من التطبيقات، وسيقوم المصنعون بتصميم منتجات محددة لكل تطبيق.

تم استخدام تقنية الموجات فوق الصوتية أو الموجات فوق الصوتية في بعض المجالات المدنية والطبية والعسكرية منذ أكثر من 100 عام. سيستخدم الجميع تقريبًا تقنية الموجات فوق الصوتية الطبية في حياتهم. ومع ذلك، فإن أحدث حالة تطبيق لها هي تحقيق الأتمتة في المجالات الصناعية والسيارات. نحن مندهشون عندما نرى أن هذه التكنولوجيا قد أخذت مكانها في سلسلة من التطبيقات المتنوعة حقًا. إن الخصائص غير الغازية (غير القابلة للتآكل) وعدم الاتصال لتكنولوجيا الموجات فوق الصوتية تجعلها مثالية للتطبيقات الطبية والصيدلانية والعسكرية والمصانع.

في الأسواق الصناعية وأسواق السيارات، يمكن العثور على تقنية الموجات فوق الصوتية لقياس المسافة، واكتشاف الإشغال، واكتشاف المستوى، وتحليل التركيب، وقياس معدل التدفق، والمساعدة في ركن السيارة، والمساعدة في الهبوط، والمساعدة في فتح صندوق الأمتعة. يمكن لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية، والمعروفة أيضًا باسم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية، أن تعمل خارج الترددات التي لا يستطيع الإنسان سماعها، وتتراوح ترددات تشغيلها من 20 كيلو هرتز إلى بضعة ميغا هرتز.

معظم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية مصنوعة من مواد كهرضغطية، وعندما يتم تطبيق نبضات كهربائية، تتولد اهتزازات ميكانيكية أو موجات فوق صوتية. يمكن لبعض محولات الطاقة أيضًا تحويل الاهتزاز الميكانيكي إلى طاقة كهربائية. تنقسم محولات الطاقة تقريبًا إلى ثلاثة أنواع:

بعد معالجة الإشارة الكهربائية المستلمة، يمكنك الحصول على العديد من المكونات ذات الصلة المناسبة للتطبيقات الصناعية أو السيارات. أحد المكونات الأكثر شيوعًا وأهمية هو وقت الرحلة بالموجات فوق الصوتية (TOF)، والذي يشير إلى تقدير وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا للموجات فوق الصوتية المنبعثة من محول مقياس الجريان بالموجات فوق الصوتية لقياس التدفق إلى الكائن المستهدف ثم ينعكس مرة أخرى من الكائن إلى المستشعر. هذا هو المبدأ الأساسي لاستخدام تقنية الموجات فوق الصوتية في العدادات الذكية لقياس تدفق المياه أو الغاز أو التدفئة (سواء كانت تدخلية أو غير تدخلية)، وتقديم بيانات الاستهلاك للمستهلكين لتسهيل إعداد الفواتير.

قياس التدفق هو القياس الكمي لتدفق السائل أو الغاز (الحجم أو السرعة). وحدة القياس تشبه الليتر / الدقيقة (أو الثواني أو الساعات) أو المتر المربع / الثانية. نطاق مقاييس التدفق واسع نسبيًا، بدءًا من الأدوات العامة البسيطة للاستخدام المنزلي (الغاز / الماء / التدفئة) إلى الأدوات الصناعية أو خلاطات السوائل أو الغازات الخطرة (النفط والتعدين ومعالجة مياه الصرف الصحي والدهانات والمواد الكيميائية وما إلى ذلك). من الناحية الهيكلية، يشتمل مقياس التدفق على وحدة استشعار، ووحدة قياس، ووحدة تحكم/اتصال، ويمكن تقسيم كل منها إلى ميكانيكية أو إلكترونية. يقارن الشكل 1 بين الأنواع المختلفة لتقنيات استشعار مقياس الجريان التي تشكل وحدة الاستشعار. تتميز أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية بالعديد من المزايا.

الشكل 1: مقارنة طرق استشعار تدفق السائل أو الغاز

محول مقياس الجريان بالموجات فوق الصوتية باستخدام TOF أو قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية عن طريق حساب الفارق الزمني (تأخير الانتشار) لإشارات الموجات فوق الصوتية المرسلة والمستقبلة. ولتطبيق ذلك على قياس التدفق، يستخدم المصممون زوجًا من محولات الطاقة المتماثلة من نوع جهاز الإرسال والاستقبال لإثارةهما في الاتجاهين العلوي والسفلي، على التوالي. عند الانتشار في اتجاه يتوافق مع تدفق السوائل، تنتشر الموجات فوق الصوتية بشكل أسرع، بينما في الاتجاه المعاكس لتدفق السوائل، تنتشر الموجات فوق الصوتية بشكل أبطأ. ولذلك، مطلوب زوج واحد على الأقل من محولات الطاقة، ولكن بعض الهياكل تستخدم المزيد من محولات الطاقة.

ويبين الشكل 2 مفهومًا نموذجيًا للكشف عن التدفق بالموجات فوق الصوتية، ويمكن تحديد موضع محول الطاقة في خط الأنابيب. ويعتمد اختيار مستشعر الموجات فوق الصوتية على نوع الوسيط الذي يتطلب قياس معدل التدفق. بشكل عام، يستخدم الاستشعار السائل أجهزة استشعار ذات ترددات أعلى في الطيف (> 1 ميجا هرتز)، بينما تستخدم الوسائط الغازية أجهزة استشعار ذات ترددات أقل (<500 كيلو هرتز). بالإضافة إلى ذلك، تتطلب تقنية الموجات فوق الصوتية المستخدمة لقياس التدفق مسارًا مباشرًا بين أي محولين للطاقة، الأمر الذي يتطلب تصميمًا ميكانيكيًا دقيقًا لخط أنابيب السائل الذي يضم محول الطاقة. لا تعمل تقنية الموجات فوق الصوتية في وجود الفقاعات، لأن الفقاعات قد تسبب توهينًا كبيرًا لإشارة الموجات فوق الصوتية.

الشكل 2: أمثلة على الطبولوجيا الشائعة للاستشعار بالموجات فوق الصوتية لمقاييس التدفق ومواقع التثبيت في الأنابيب.
يوضح الشكل 3 تصميمًا عامًا للأنابيب مع وضع محول الطاقة في الأسفل والمواد العاكسة لضمان إمكانية انتشار إشارة الموجات فوق الصوتية بين محولات الطاقة (XDCR1 وXDCR2 في الشكل).

الشكل 3: أنبوب التدفق العالمي مع زوج من محولات الطاقة المثبتة

حيث Δt هي TOF، c هي سرعة انتشار الإشارة بالموجات فوق الصوتية في الوسط في خط الأنابيب، v هي سرعة التدفق، L هو طول انتشار خط الأنابيب، T12 هو وقت الانتشار في اتجاه المنبع، و T21 هو وقت الانتشار في اتجاه مجرى النهر. هناك عدة طرق لتحديد معلومات TOF، ولكن يجب أن تكون جميع الطرق قادرة على معالجة إخراج محول الطاقة. ويبين الشكل 4 إخراجًا نموذجيًا.

الشكل 4: الاستجابة النموذجية لمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية عندما يكون متحمسًا كهربائيًا.
توفر معالجة هذا الشكل الموجي المعلومات اللازمة لحل المعادلتين 1 و2. هناك عدة طرق لمعالجة الأشكال الموجية، بما في ذلك تحويل الوقت إلى رقمي (TDC)، والكشف عن التقاطع الصفري، والتقاط شكل الموجة. كل طريقة لها مزايا وعيوب.
 
يستخدم بائعو الرقائق بنيات مختلفة لحل مشاكل قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية. تستخدم بعض الشركات المصنعة مكونات تناظرية منفصلة، ​​تليها المعالجات الرقمية. حاولت شركات تصنيع أخرى دمج المكونات التناظرية في المعالجات الرقمية لتشكيل حل شريحة واحدة. في طريقة التقاط الشكل الموجي، يتم استخدام دائرة تناظرية سريعة لالتقاط إشارة الموجات فوق الصوتية بأكملها، ثم يتم استخدام محول تناظري إلى رقمي لتحويل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية، ومن ثم يمكن لخوارزمية معالجة الإشارات الرقمية الحصول على معلومات TOF.
 
يستخدم بائعو الرقائق بنيات مختلفة لحل مشاكل قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية. تستخدم بعض الشركات المصنعة مكونات تناظرية منفصلة لمحول طاقة بالموجات فوق الصوتية بسرعة 100 كيلو هرتز، تليها المعالجات الرقمية. حاولت شركات تصنيع أخرى دمج المكونات التناظرية في المعالجات الرقمية لتشكيل حل شريحة واحدة. في طريقة التقاط الشكل الموجي، يتم استخدام دائرة تناظرية سريعة لالتقاط إشارة الموجات فوق الصوتية بأكملها، ثم يتم استخدام محول تناظري إلى رقمي لتحويل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية، ومن ثم يمكن لخوارزمية معالجة الإشارات الرقمية الحصول على معلومات TOF.
 
بسبب التحسينات التقنية لمحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية، مما يجعلها أرخص وأكثر دقة وأصغر حجمًا ومنتشرة في كل مكان، فقد تم استخدام تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في قياس التدفق. تعمل الدائرة التناظرية المتكاملة المتقدمة على تسهيل التقاط ومعالجة الشكل الموجي لمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية في الوقت الفعلي، وبالتالي الحصول على معلومات TOF دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية أكثر دقة، وأصغر حجمًا، ولا يحتوي على أجزاء متحركة، مما يجعله خيارًا ممتازًا للمصنعين لاستبدال مقاييس التدفق الميكانيكية. ومع ذلك، لا يزال المصنعون بحاجة إلى فهم تصميم الأنابيب وتركيب محول الطاقة وتحديد موضعه بعناية لضمان الاستفادة الكاملة من جميع مزايا تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية في قياس التدفق.