کاربرد فناوری اولتراسونیک در اندازه‌گیری هوشمند جریان

در بازار صنعتی، چیپست های نیمه هادی نقش بسیار زیادی در تبدیل تجهیزات مکانیکی به تجهیزات الکترومکانیکی یا صرفاً الکترونیکی دارند. هر بخش بازار را می توان به کاربردهای زیادی تقسیم کرد و تولید کنندگان محصولات خاصی را برای هر برنامه طراحی می کنند.

فناوری اولتراسوند یا اولتراسوند بیش از 100 سال است که در برخی از زمینه های غیر نظامی، پزشکی و نظامی استفاده می شود. تقریباً همه در طول زندگی خود از فناوری اولتراسوند پزشکی استفاده می کنند. با این حال، آخرین مورد کاربرد آن، تحقق اتوماسیون در زمینه های صنعتی و خودروسازی است. از اینکه می بینیم این فناوری جای خود را در یک سری از برنامه های کاربردی واقعاً متنوع باز کرده است شگفت زده شده ایم. ویژگی های غیر تهاجمی (غیر خورنده) و غیر تماسی فناوری اولتراسونیک آن را برای کاربردهای پزشکی، دارویی، نظامی و کارخانه ایده آل می کند.

در بازارهای صنعتی و خودرویی، فناوری اولتراسونیک را می‌توان برای اندازه‌گیری فاصله، تشخیص اشغال، تشخیص سطح، تجزیه و تحلیل ترکیب، اندازه‌گیری سرعت جریان، کمک پارک، کمک فرود، و کمک باز کردن صندوق عقب یافت. سنسورهای اولتراسونیک که به عنوان مبدل اولتراسونیک نیز شناخته می‌شوند، می‌توانند خارج از فرکانس‌هایی کار کنند که انسان قادر به شنیدن آن نیست و فرکانس کاری آنها از ۲۰ کیلوهرتز تا چند مگاهرتز متغیر است.

اکثر مبدل‌های اولتراسونیک از مواد پیزوالکتریک ساخته شده‌اند و هنگامی که پالس‌های الکتریکی اعمال می‌شوند، ارتعاشات مکانیکی یا امواج اولتراسونیک ایجاد می‌شوند. برخی مبدل ها همچنین می توانند ارتعاش مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. مبدل ها به طور کلی به سه نوع تقسیم می شوند:

پس از پردازش سیگنال الکتریکی دریافتی، می توانید چندین قطعه مرتبط مناسب برای کاربردهای صنعتی یا خودرویی را دریافت کنید. یکی از رایج‌ترین و مهم‌ترین مؤلفه‌ها، زمان پرواز اولتراسونیک (TOF) است که به تخمین زمان رفت و برگشت امواج اولتراسونیک ساطع شده از مبدل فلومتر اولتراسونیک برای اندازه‌گیری جریان به جسم مورد نظر و سپس بازتاب مجدد از جسم به حسگر اشاره دارد. این اصل اساسی استفاده از فناوری اولتراسونیک در کنتورهای هوشمند برای اندازه‌گیری جریان آب، گاز یا گرمایش (چه نفوذی یا غیر نفوذی)، و ارائه داده‌های مصرف به مصرف‌کنندگان برای صورت‌حساب آسان است.

اندازه‌گیری جریان، کمی کردن جریان مایع یا گاز (حجم یا سرعت) است. واحد اندازه گیری مشابه لیتر در دقیقه (یا ثانیه یا ساعت) یا متر مربع در ثانیه است. دامنه فلومترها نسبتاً گسترده است، از ابزار عمومی ساده برای مصارف خانگی (گاز / آب / گرمایش) تا ابزار صنعتی یا میکسرهای مایعات یا گازهای خطرناک (نفت، معدن، تصفیه فاضلاب، رنگ و مواد شیمیایی و غیره). از نظر ساختاری، فلومتر شامل یک واحد حسگر، یک واحد اندازه گیری و یک واحد کنترل/ارتباط است که هر کدام را می توان بیشتر به مکانیکی یا الکترونیکی تقسیم کرد. شکل 1 انواع مختلف فناوری های سنجش جریان سنج را که واحد حسگر را تشکیل می دهند، مقایسه می کند. فلومتر اولتراسونیک چندین مزیت دارد.

شکل 1: مقایسه روش های سنجش جریان مایع یا گاز

مبدل فلومتر اولتراسونیک با استفاده از TOF یا اولتراسوند جریان را با محاسبه اختلاف زمانی (تاخیر انتشار) سیگنال‌های فراصوت ارسالی و دریافتی اندازه‌گیری می‌کند. برای اعمال آن در اندازه گیری جریان، طراحان از یک جفت مبدل از نوع فرستنده و گیرنده یکسان استفاده می کنند تا آنها را به ترتیب در جهت بالادست و پایین دست برانگیزد. هنگامی که در جهتی مطابق با جریان سیال منتشر می شود، امواج اولتراسونیک سریعتر منتشر می شوند، در حالی که در جهت مخالف جریان سیال، امواج اولتراسونیک کندتر منتشر می شوند. بنابراین، حداقل یک جفت مبدل مورد نیاز است، اما برخی از توپولوژی ها از مبدل های بیشتری استفاده می کنند.

شکل 2 یک مفهوم معمولی از تشخیص جریان اولتراسونیک را نشان می دهد و می توان محل قرارگیری مبدل در خط لوله را انتخاب کرد. انتخاب حسگر اولتراسونیک به نوع محیطی بستگی دارد که به اندازه گیری سرعت جریان نیاز دارد. به طور کلی، سنجش مایع از حسگرهایی با فرکانس‌های بالاتر در طیف (> 1 مگاهرتز) استفاده می‌کند، در حالی که رسانه‌های گازی از حسگرهایی با فرکانس‌های پایین‌تر (<500 کیلوهرتز) استفاده می‌کنند. علاوه بر این، فناوری اولتراسونیک مورد استفاده برای اندازه‌گیری جریان، نیازمند یک مسیر مستقیم بین هر دو مبدل است، که نیازمند طراحی دقیق مکانیکی خط لوله سیال است که مبدل را در خود جای داده است. فناوری اولتراسونیک در حضور حباب ها کار نمی کند، زیرا حباب ها ممکن است باعث تضعیف قابل توجه سیگنال اولتراسوند شوند.

شکل 2: نمونه هایی از توپولوژی های رایج برای سنجش فراصوت فلومترها و مکان های نصب در لوله ها
شکل 3 یک طرح لوله کشی عمومی با مبدل قرار داده شده در پایین و مواد بازتابنده را نشان می دهد تا اطمینان حاصل شود که سیگنال اولتراسونیک می تواند بین مبدل ها منتشر شود (XDCR1 و XDCR2 در شکل).

شکل 3: لوله جریان جهانی با یک جفت مبدل نصب شده است

جایی که Δt TOF است، c سرعت انتشار سیگنال اولتراسونیک در محیط در خط لوله، v سرعت جریان، L طول انتشار خط لوله، T12 زمان انتشار در بالادست، و T21 زمان انتشار در پایین دست است. راه های مختلفی برای تعیین TOF وجود دارد، اما همه روش ها نیاز به خروجی transducer از خروجی اطلاعات دارند.

شکل 4: پاسخ معمولی مبدل اولتراسونیک در هنگام تحریک الکتریکی
پردازش این شکل موج اطلاعات مورد نیاز برای حل معادلات 1 و 2 را فراهم می کند. روش های مختلفی برای پردازش شکل موج وجود دارد، از جمله تبدیل زمان به دیجیتال (TDC)، تشخیص عبور از صفر و گرفتن شکل موج. هر روشی مزایا و معایبی دارد.
 
فروشندگان تراشه از معماری های مختلفی برای حل مشکلات اندازه گیری جریان اولتراسونیک استفاده می کنند. برخی از تولیدکنندگان از قطعات آنالوگ گسسته و به دنبال آن از پردازنده های دیجیتال استفاده می کنند. سازندگان دیگر سعی کرده اند اجزای آنالوگ را در پردازنده های دیجیتال ادغام کنند تا یک راه حل تک تراشه را تشکیل دهند. در روش ضبط شکل موج، از یک مدار آنالوگ سریع برای گرفتن کل سیگنال اولتراسونیک استفاده می شود و سپس از مبدل آنالوگ به دیجیتال برای تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال استفاده می شود و سپس الگوریتم پردازش سیگنال دیجیتال می تواند اطلاعات TOF را به دست آورد.
 
فروشندگان تراشه از معماری های مختلفی برای حل مشکلات اندازه گیری جریان اولتراسونیک استفاده می کنند. برخی از تولیدکنندگان از قطعات آنالوگ مجزا مبدل اولتراسونیک 100 کیلوهرتز و به دنبال آن از پردازنده های دیجیتال استفاده می کنند. سازندگان دیگر سعی کرده اند اجزای آنالوگ را در پردازنده های دیجیتال ادغام کنند تا یک راه حل تک تراشه را تشکیل دهند. در روش ضبط شکل موج، از یک مدار آنالوگ سریع برای گرفتن کل سیگنال اولتراسونیک استفاده می شود و سپس از مبدل آنالوگ به دیجیتال برای تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال استفاده می شود و سپس الگوریتم پردازش سیگنال دیجیتال می تواند اطلاعات TOF را به دست آورد.
 
به دلیل پیشرفت‌های فنی مبدل‌های اولتراسونیک، ارزان‌تر، دقیق‌تر، کوچک‌تر و فراگیرتر کردن آنها، فناوری اولتراسونیک به طور گسترده در اندازه‌گیری جریان استفاده شده است. مدار آنالوگ یکپارچه پیشرفته، گرفتن و پردازش شکل موج مبدل اولتراسونیک را در زمان واقعی آسان‌تر می‌کند، بنابراین اطلاعات دقیق TOF به دست می‌آید. علاوه بر این، فلومتر اولتراسونیک دقیق تر، اندازه کوچکتر و فاقد قطعات متحرک است، که آن را به گزینه ای عالی برای سازندگان برای جایگزینی فلومترهای مکانیکی تبدیل می کند. با این حال، تولیدکنندگان هنوز باید به دقت طراحی لوله کشی و نصب و موقعیت مبدل را درک کنند تا اطمینان حاصل شود که تمام مزایای فناوری اولتراسونیک به طور کامل در اندازه گیری جریان استفاده می شود.