Aplikace ultrazvukové technologie v inteligentním měření průtoku

Na průmyslovém trhu hrají polovodičové čipové sady obrovskou roli při transformaci mechanických zařízení na elektromechanická nebo čistě elektronická zařízení. Každý segment trhu lze rozdělit do mnoha aplikací a výrobci navrhnou specifické produkty pro každou aplikaci.

Ultrazvuk neboli ultrazvuková technologie se v některých civilních, lékařských a vojenských oborech používá již více než 100 let. Lékařskou ultrazvukovou technologii využije v životě téměř každý. Jeho posledním případem aplikace je však realizace automatizace v průmyslové a automobilové oblasti. Jsme překvapeni, že tato technologie zaujala své místo v řadě skutečně rozmanitých aplikací. Neinvazivní (nekorozivní) a bezkontaktní vlastnosti ultrazvukové technologie ji činí ideální pro lékařské, farmaceutické, vojenské a tovární aplikace.

Na průmyslových a automobilových trzích lze nalézt ultrazvukovou technologii pro měření vzdálenosti, detekci obsazenosti, detekci hladiny, analýzu složení, měření průtoku, pomoc při parkování, pomoc při přistání a pomoc při otevírání kufru. Ultrazvukové senzory, známé také jako ultrazvukové převodníky, mohou pracovat mimo frekvence, které lidé neslyší, a jejich pracovní frekvence se pohybují od 20 kHz do několika megahertzů.

Většina ultrazvukových měničů je vyrobena z piezoelektrických materiálů a když jsou aplikovány elektrické impulsy, vznikají mechanické vibrace nebo ultrazvukové vlny. Některé převodníky mohou také převádět mechanické vibrace zpět na elektrickou energii. Převodníky jsou zhruba rozděleny do tří typů:

Po zpracování přijatého elektrického signálu můžete získat několik relevantních komponent vhodných pro průmyslové nebo automobilové aplikace. Jednou z nejběžnějších a nejdůležitějších součástí je ultrazvuková doba letu (TOF), která se vztahuje k odhadu doby oběhu ultrazvukových vln emitovaných ze snímače ultrazvukového průtokoměru pro měření průtoku k cílovému objektu a poté odražených zpět od objektu k senzoru. Toto je základní princip použití ultrazvukové technologie v chytrých měřičích k měření průtoku vody, plynu nebo vytápění (ať už rušivého nebo neinvazivního) a předkládání údajů o spotřebě spotřebitelům pro snadné vyúčtování.

Měření průtoku je kvantifikace průtoku kapaliny nebo plynu (objem nebo rychlost). Jednotka měření je podobná jako v litrech / minuta (nebo sekundách nebo hodinách) nebo metrech čtverečních / sekunda. Sortiment průtokoměrů je poměrně široký, od jednoduchých veřejných přístrojů pro domácí použití (plyn / voda / topení) až po průmyslové přístroje nebo směšovače nebezpečných kapalin nebo plynů (ropa, těžba, čištění odpadních vod, barvy a chemikálie atd.). Konstrukčně průtokoměr obsahuje snímačovou jednotku, měřicí jednotku a řídicí / komunikační jednotku, z nichž každou lze dále rozdělit na mechanickou nebo elektronickou. Obrázek 1 porovnává různé typy technologií snímání průtokoměru, které tvoří snímací jednotku. Ultrazvukové průtokoměry mají několik výhod.

Obrázek 1: Porovnání metod snímání průtoku kapaliny nebo plynu

Ultrazvukový průtokoměrový převodník využívající TOF nebo ultrazvuk měří průtok výpočtem časového rozdílu (zpoždění šíření) vysílaných a přijímaných ultrazvukových signálů. Aby jej mohli aplikovat na měření průtoku, konstruktéři používají pár identických převodníků typu transceiver k jejich buzení ve směru proti proudu a po proudu. Při šíření ve směru konzistentním s prouděním tekutiny se ultrazvukové vlny šíří rychleji, zatímco ve směru opačném k proudění tekutiny se ultrazvukové vlny šíří pomaleji. Proto je vyžadován alespoň jeden pár převodníků, ale některé topologie používají více převodníků.

Obrázek 2 ukazuje typický koncept ultrazvukové detekce průtoku a lze zvolit umístění snímače v potrubí. Volba ultrazvukového snímače závisí na typu média, které vyžaduje měření průtoku. Obecně se u kapalinového snímání používají snímače s vyššími frekvencemi ve spektru (> 1 MHz), zatímco pro plynná média se používají snímače s nižšími frekvencemi (<500 kHz). Ultrazvuková technologie používaná pro měření průtoku navíc vyžaduje přímou cestu mezi libovolnými dvěma snímači, což vyžaduje pečlivý mechanický konstrukční návrh kapalinového potrubí, ve kterém je snímač umístěn. Ultrazvuková technologie nefunguje v přítomnosti bublin, protože bubliny mohou způsobit výrazné zeslabení ultrazvukového signálu.

Obrázek 2: Příklady běžných topologií pro ultrazvukové snímání průtokoměrů a místa instalace v potrubí
Obrázek 3 ukazuje obecný návrh potrubí s převodníkem umístěným ve spodní části a reflexním materiálem, aby se zajistilo, že se ultrazvukový signál může šířit mezi převodníky (XDCR1 a XDCR2 na obrázku).

Obrázek 3: Univerzální průtoková trubice s nainstalovaným párem převodníků

Kde Δt je TOF, c je rychlost ultrazvukového signálu šířícího se v médiu v potrubí, v je rychlost proudění, L je délka šíření potrubím, T12 je doba šíření proti proudu a T21 je doba šíření po proudu. Existuje několik způsobů, jak určit TOF informace, ale všechny metody musí umět zpracovat typický výstup převodníku4.

Obrázek 4: Typická odezva ultrazvukového měniče při jeho elektrickém vybuzení
Zpracování tohoto průběhu poskytuje informace potřebné k řešení rovnic 1 a 2. Existuje několik způsobů, jak zpracovat průběhy, včetně konverze z času na digitální (TDC), detekce průchodu nulou a zachycení průběhu. Každá metoda má výhody a nevýhody.
 
Prodejci čipů používají různé architektury k řešení problémů s měřením ultrazvukového průtoku. Někteří výrobci používají diskrétní analogové komponenty, následované digitálními procesory. Jiní výrobci se pokusili integrovat analogové komponenty do digitálních procesorů, aby vytvořili jednočipové řešení. Při metodě zachycení tvaru vlny se používá rychlý analogový obvod k zachycení celého ultrazvukového signálu a poté se použije analogově-digitální převodník k převedení analogového signálu na digitální signál a poté může algoritmus zpracování digitálního signálu získat informace TOF.
 
Prodejci čipů používají různé architektury k řešení problémů s měřením ultrazvukového průtoku. Někteří výrobci používají diskrétní analogové součástky 100kHz ultrazvukového měniče, následované digitálními procesory. Jiní výrobci se pokusili integrovat analogové komponenty do digitálních procesorů, aby vytvořili jednočipové řešení. Při metodě zachycení tvaru vlny se používá rychlý analogový obvod k zachycení celého ultrazvukového signálu a poté se použije analogově-digitální převodník k převedení analogového signálu na digitální signál a poté může algoritmus zpracování digitálního signálu získat informace TOF.
 
Vzhledem k technickým vylepšením ultrazvukových převodníků, díky nimž jsou levnější, přesnější, mají menší rozměry a jsou všudypřítomné, se ultrazvuková technologie široce používá při měření průtoku. Pokročilý integrovaný analogový obvod usnadňuje zachycení a zpracování křivky ultrazvukového převodníku v reálném čase, čímž se získá přesné informace TOF. Ultrazvukový průtokoměr je navíc přesnější, má menší rozměry a nemá žádné pohyblivé části, takže je pro výrobce výbornou volbou pro výměnu mechanických průtokoměrů. Výrobci však stále musí pečlivě porozumět konstrukci potrubí a instalaci a umístění snímačů, aby zajistili, že všechny výhody ultrazvukové technologie budou při měření průtoku plně využity.