Anvendelse af ultralydsteknologi i intelligent flowmåling

På det industrielle marked spiller halvlederchipsæt en enorm rolle i omdannelsen af ​​mekanisk udstyr til elektromekanisk eller rent elektronisk udstyr. Hvert markedssegment kan opdeles i mange applikationer, og producenter vil designe specifikke produkter til hver applikation.

Ultralyd eller ultralydsteknologi er blevet brugt på nogle civile, medicinske og militære områder i mere end 100 år. Næsten alle vil bruge medicinsk ultralydsteknologi i deres levetid. Dens seneste ansøgning er dog realiseringen af ​​automatisering inden for industri- og bilindustrien. Vi er overraskede over at se, at denne teknologi har taget sin plads i en række virkelig forskelligartede applikationer. De ikke-invasive (ikke-ætsende) og berøringsfrie egenskaber ved ultralydsteknologi gør den ideel til medicinske, farmaceutiske, militære og fabriksapplikationer.

På industri- og bilmarkedet kan ultralydsteknologi findes til afstandsmåling, belægningsdetektion, niveaudetektion, sammensætningsanalyse, flowhastighedsmåling, parkeringsassistance, landingsassistance og bagagerumsåbningsassistance. Ultralydssensorer, også kendt som ultralydstransducere, kan fungere uden for frekvenser, som mennesker ikke kan høre, og deres driftsfrekvenser spænder fra 20 kHz til nogle få megahertz.

De fleste ultralydstransducere er lavet af piezoelektriske materialer, og når der påføres elektriske impulser, genereres mekaniske vibrationer eller ultralydsbølger. Nogle transducere kan også konvertere mekanisk vibration tilbage til elektrisk energi. Transducere er groft opdelt i tre typer:

Efter at have behandlet det modtagne elektriske signal, kan du få flere relevante komponenter, der er egnede til industri- eller bilapplikationer. En af de mest almindelige og vigtige komponenter er ultrasonic time-of-flight (TOF), som refererer til rundrejsetidsestimatet af ultralydsbølger udsendt fra ultralydsflowmålerens transducer til flowmåling til målobjektet og derefter reflekteret tilbage fra objektet til sensoren. Dette er det grundlæggende princip for at bruge ultralydsteknologi i smarte målere til at måle flowet af vand, gas eller varme (uanset om det er forstyrrende eller ikke-påtrængende), og præsentere forbrugsdata for forbrugerne for nem fakturering.

Flowmåling er kvantificeringen af ​​væske- eller gasstrøm (volumen eller hastighed). Måleenheden svarer til liter/minut (eller sekunder eller timer) eller kvadratmeter/sekund. Udvalget af flowmålere er relativt bredt, fra simple offentlige instrumenter til husholdningsbrug (gas/vand/varme) til industrielle instrumenter eller blandere til farlige væsker eller gasser (olie, minedrift, spildevandsbehandling, maling og kemikalier osv.). Strukturelt omfatter flowmåleren en sensorenhed, en måleenhed og en kontrol-/kommunikationsenhed, som hver kan yderligere opdeles i mekanisk eller elektronisk. Figur 1 sammenligner de forskellige typer flowmåler-sensorteknologier, der udgør sensorenheden. Ultralydsflowmålere har flere fordele.

Figur 1: Sammenligning af metoder til registrering af væske eller gasstrøm

Ultralydsflowmålertransducer ved hjælp af TOF eller ultralyd måler flow ved at beregne tidsforskellen (udbredelsesforsinkelse) af de transmitterede og modtagne ultralydssignaler. For at anvende det til flowmåling bruger designere et par identiske transducere af transceiver-typen til at excitere dem i henholdsvis opstrøms- og nedstrømsretninger. Ved udbredelse i en retning, der er i overensstemmelse med væskestrøm, udbreder ultralydsbølger sig hurtigere, mens ultralydsbølger udbreder sig langsommere i en retning modsat væskestrømning. Derfor kræves der mindst et par transducere, men nogle topologier bruger flere transducere.

Figur 2 viser et typisk koncept for ultralydsflowdetektion, og placeringen af ​​transduceren i rørledningen kan vælges. Valget af ultralydssensor afhænger af den type medium, der kræver flowhastighedsmåling. Generelt bruger væskesensorer sensorer med højere frekvenser i spektret (> 1 MHz), mens gasformige medier bruger sensorer med lavere frekvenser (<500 kHz). Derudover kræver ultralydsteknologien, der bruges til flowmåling, en direkte vej mellem to vilkårlige transducere, hvilket kræver omhyggeligt mekanisk konstruktionsdesign af væskerørledningen, der huser transduceren. Ultralydsteknologi virker ikke i nærvær af bobler, fordi bobler kan forårsage betydelig dæmpning af ultralydssignalet.

Figur 2: Eksempler på almindelige topologier til ultralydsregistrering af flowmålere og installationssteder i rør
Figur 3 viser et generisk rørdesign med transduceren placeret i bunden og reflekterende materiale for at sikre, at ultralydssignalet kan forplante sig mellem transducerne (XDCR1 og XDCR2 på figuren).

Figur 3: Universal flowrør med et par transducere installeret

Hvor Δt er TOF, c er hastigheden af ​​ultralydssignalet, der udbreder sig i mediet i rørledningen, v er strømningshastigheden, L er udbredelseslængden af ​​rørledningen, T12 er udbredelsestiden opstrøms, og T21 er udbredelsestiden nedstrøms. Der er flere måder at bestemme TOF-information på, men alle metoder skal kunne behandle transducerens typiske output.

Figur 4: Typisk respons af en ultralydstransducer, når den er elektrisk exciteret.
Behandlingen af ​​denne bølgeform giver den information, der er nødvendig for at løse ligning 1 og 2. Der er flere måder at behandle bølgeformer på, herunder tid-til-digital konvertering (TDC), nul-gennemgang detektion og bølgeformfangst. Hver metode har fordele og ulemper.
 
Chipleverandører bruger forskellige arkitekturer til at løse problemer med ultralydsflowmåling. Nogle producenter bruger diskrete analoge komponenter, efterfulgt af digitale processorer. Andre producenter har forsøgt at integrere analoge komponenter i digitale processorer for at danne en enkelt-chip-løsning. I waveform capture-metoden bruges et hurtigt analogt kredsløb til at fange hele ultralydssignalet, og derefter bruges en analog-til-digital konverter til at konvertere det analoge signal til et digitalt signal, og derefter kan den digitale signalbehandlingsalgoritme opnå TOF-information.
 
Chipleverandører bruger forskellige arkitekturer til at løse problemer med ultralydsflowmåling. Nogle producenter bruger diskrete analoge komponenter af 100KHz ultralydstransducere, efterfulgt af digitale processorer. Andre producenter har forsøgt at integrere analoge komponenter i digitale processorer for at danne en enkelt-chip-løsning. I waveform capture-metoden bruges et hurtigt analogt kredsløb til at fange hele ultralydssignalet, og derefter bruges en analog-til-digital konverter til at konvertere det analoge signal til et digitalt signal, og derefter kan den digitale signalbehandlingsalgoritme opnå TOF-information.
 
På grund af de tekniske forbedringer af ultralydstransducere, der gør dem billigere, mere præcise, mindre i størrelse og allestedsnærværende, er ultralydsteknologi blevet brugt i vid udstrækning til flowmåling. Det avancerede integrerede analoge kredsløb gør det nemmere at fange og behandle ultralydstransducerens bølgeform i realtid og dermed opnå nøjagtig TOF-information. Derudover er ultralydsflowmåleren mere nøjagtig, mindre i størrelse og har ingen bevægelige dele, hvilket gør det til et fremragende valg for producenter at udskifte mekaniske flowmålere. Producenterne skal dog stadig omhyggeligt forstå rørdesignet og transducers installation og positionering for at sikre, at alle fordelene ved ultralydsteknologi udnyttes fuldt ud i flowmåling.