Ultraäänitekniikan soveltaminen älykkäässä virtausmittauksessa

Teollisuusmarkkinoilla puolijohdepiirisarjoilla on valtava rooli mekaanisten laitteiden muuttamisessa sähkömekaanisiksi tai puhtaasti elektronisiksi laitteiksi. Jokainen markkinasegmentti voidaan jakaa useisiin sovelluksiin, ja valmistajat suunnittelevat erityiset tuotteet kullekin sovellukselle.

Ultraääntä tai ultraäänitekniikkaa on käytetty joillakin siviili-, lääketieteen ja sotilasaloilla yli 100 vuoden ajan. Melkein jokainen tulee käyttämään lääketieteellistä ultraäänitekniikkaa elämänsä aikana. Sen viimeisin sovelluskohde on kuitenkin automaation toteuttaminen teollisuudessa ja autoteollisuudessa. Olemme yllättyneitä nähdessämme, että tämä tekniikka on ottanut paikkansa todella monipuolisissa sovelluksissa. Ultraäänitekniikan ei-invasiiviset (ei-syövyttävät) ja kosketuksettomat ominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen lääketieteellisiin, farmaseuttisiin, sotilas- ja tehdassovelluksiin.

Teollisuus- ja automarkkinoilta ultraäänitekniikkaa löytyy etäisyyden mittaamiseen, läsnäolon tunnistukseen, tason havaitsemiseen, koostumusanalyysiin, virtausnopeuden mittaukseen, pysäköintitutkimiseen, laskeutumisavustimeen ja tavaratilan avausavustimeen. Ultraäänianturit, jotka tunnetaan myös nimellä ultraäänianturi, voivat toimia taajuuksien ulkopuolella, joita ihmiset eivät kuule, ja niiden toimintataajuudet vaihtelevat 20 kHz:stä muutamaan megahertsiin.

Useimmat ultraäänimuuntimet on valmistettu pietsosähköisistä materiaaleista, ja kun sähköpulsseja käytetään, syntyy mekaanisia värähtelyjä tai ultraääniaaltoja. Jotkut muuntimet voivat myös muuttaa mekaanisen tärinän takaisin sähköenergiaksi. Anturit jaetaan karkeasti kolmeen tyyppiin:

Vastaanotetun sähköisen signaalin käsittelyn jälkeen saat useita asiaankuuluvia komponentteja, jotka soveltuvat teollisuus- tai autoteollisuuden sovelluksiin. Yksi yleisimmistä ja tärkeimmistä komponenteista on ultraääni-lentoaika (TOF), joka viittaa ultraäänivirtausmittarin anturin lähettämien ultraääniaaltojen edestakaisin aika-arvioon virtauksen mittaamista varten kohdeobjektiin ja heijastuu sitten takaisin kohteesta anturiin. Tämä on perusperiaate ultraäänitekniikan käyttämiselle älymittareissa veden, kaasun tai lämmityksen virtauksen mittaamiseen (riippumatta siitä, onko se häiritsevä tai ei-tunkeileva) ja esittää kulutustietoja kuluttajille laskutuksen helpottamiseksi.

Virtausmittaus on nesteen tai kaasun virtauksen (tilavuuden tai nopeuden) kvantifiointi. Mittayksikkö on samanlainen kuin litraa / minuutti (tai sekuntia tai tuntia) tai neliömetriä / sekunti. Virtausmittarien valikoima on suhteellisen laaja yksinkertaisista julkisista kotitalouskäyttöön tarkoitetuista instrumenteista (kaasu/vesi/lämmitys) teollisuusinstrumentteihin tai sekoittimiin vaarallisten nesteiden tai kaasujen (öljy, kaivosteollisuus, jätevedenkäsittely, maalit ja kemikaalit jne.) mittauksiin. Rakenteellisesti virtausmittari sisältää anturiyksikön, mittausyksikön ja ohjaus-/viestintäyksikön, joista jokainen voidaan edelleen jakaa mekaaniseen tai elektroniseen. Kuvassa 1 verrataan erityyppisiä virtausmittarin mittaustekniikoita, jotka muodostavat anturiyksikön. Ultraäänivirtausmittareilla on useita etuja.

Kuva 1: Nesteen tai kaasun virtauksen mittausmenetelmien vertailu

Ultraäänivirtausmittarin anturi TOF:llä tai ultraäänellä mittaa virtausta laskemalla lähetettyjen ja vastaanotettujen ultraäänisignaalien aikaeron (etenemisviiveen). Sen soveltamiseksi virtausmittaukseen suunnittelijat käyttävät paria identtisiä lähetin-vastaanotintyyppisiä muuntimia virittääkseen ne vastavirtaan ja myötävirtaan. Kun ultraääniaallot etenevät nestevirtauksen mukaiseen suuntaan, ne etenevät nopeammin, kun taas nestevirtausta vastakkaiseen suuntaan ultraääniaallot etenevät hitaammin. Siksi tarvitaan vähintään yksi antureiden pari, mutta joissakin topologioissa käytetään enemmän antureita.

Kuvassa 2 on tyypillinen ultraäänivirtauksen ilmaisukonsepti, ja anturin sijoitus putkessa on valittavissa. Ultraäänianturin valinta riippuu väliaineen tyypistä, joka vaatii virtausnopeuden mittausta. Yleensä nesteanturi käyttää antureita, joiden spektrin taajuudet ovat korkeammat (> 1 MHz), kun taas kaasumaisessa mediassa käytetään antureita, joiden taajuudet ovat alhaisemmat (<500 kHz). Lisäksi virtausmittaukseen käytetty ultraäänitekniikka vaatii suoran reitin minkä tahansa kahden muuntimen välillä, mikä edellyttää anturin sisältävän nesteputken huolellista mekaanista rakennesuunnittelua. Ultraäänitekniikka ei toimi kuplien läsnä ollessa, koska kuplat voivat vaimentaa merkittävästi ultraäänisignaalia.

Kuva 2: Esimerkkejä yleisistä topologioista virtausmittareiden ultraäänitunnistukseen ja asennuspaikat putkiin
Kuvassa 3 on yleinen putkistorakenne, jossa anturi on sijoitettu pohjaan ja heijastava materiaali varmistaakseen, että ultraäänisignaali voi levitä muuntimien välillä (kuvassa XDCR1 ja XDCR2).

Kuva 3: Yleisvirtausputki, jossa on asennettuna pari anturia

Missä Δt on TOF, c on liukuhihnassa olevassa väliaineessa etenevän ultraäänisignaalin nopeus, v on virtausnopeus, L on putkilinjan etenemispituus, T12 on etenemisaika ylävirtaan ja T21 on etenemisaika myötävirtaan. On olemassa useita tapoja määrittää TOF-tiedot, mutta kaikkien menetelmien on kyettävä käsittelemään tyypillisen anturin lähtöä.

Kuva 4: Ultraäänimuuntimen tyypillinen vaste, kun se viritetään sähköisesti
Tämän aaltomuodon käsittely antaa tarvittavat tiedot yhtälöiden 1 ja 2 ratkaisemiseen. Aaltomuotoja voidaan käsitellä useilla tavoilla, mukaan lukien aika-digitaalimuunnos (TDC), nollapisteen havaitseminen ja aaltomuodon sieppaus. Jokaisella menetelmällä on etuja ja haittoja.
 
Sirujen toimittajat käyttävät erilaisia ​​arkkitehtuureja ultraäänivirtauksen mittausongelmien ratkaisemiseen. Jotkut valmistajat käyttävät erillisiä analogisia komponentteja, joita seuraavat digitaaliset prosessorit. Muut valmistajat ovat yrittäneet integroida analogisia komponentteja digitaalisiin prosessoreihin muodostaakseen yksisiruisen ratkaisun. Aaltomuodon sieppausmenetelmässä nopeaa analogista piiriä käytetään kaappaamaan koko ultraäänisignaali, ja sitten analogia-digitaalimuunninta käytetään analogisen signaalin muuntamiseen digitaaliseksi signaaliksi, ja sitten digitaalinen signaalinkäsittelyalgoritmi voi saada TOF-informaatiota.
 
Sirujen toimittajat käyttävät erilaisia ​​arkkitehtuureja ultraäänivirtauksen mittausongelmien ratkaisemiseen. Jotkut valmistajat käyttävät erillisiä analogisia komponentteja 100 kHz ultraäänimuuntimesta, jota seuraa digitaalinen prosessori. Muut valmistajat ovat yrittäneet integroida analogisia komponentteja digitaalisiin prosessoreihin muodostaakseen yksisiruisen ratkaisun. Aaltomuodon sieppausmenetelmässä nopeaa analogista piiriä käytetään kaappaamaan koko ultraäänisignaali, ja sitten analogia-digitaalimuunninta käytetään analogisen signaalin muuntamiseen digitaaliseksi signaaliksi, ja sitten digitaalinen signaalinkäsittelyalgoritmi voi saada TOF-informaatiota.
 
Ultraääniantureiden teknisten parannusten ansiosta, jotka tekevät niistä halvempia, tarkempia, pienempiä ja kaikkialla läsnä olevia, ultraäänitekniikkaa on käytetty laajasti virtauksen mittauksessa. Edistyksellinen integroitu analoginen piiri helpottaa ultraäänianturin aaltomuodon sieppaamista ja käsittelyä reaaliajassa, jolloin saadaan tarkkoja TOF-tietoja. Lisäksi ultraäänivirtausmittari on tarkempi, kooltaan pienempi ja siinä ei ole liikkuvia osia, joten se on erinomainen valinta valmistajille vaihtaa mekaanisia virtausmittareita. Valmistajien on kuitenkin edelleen ymmärrettävä huolellisesti putkiston suunnittelu ja anturin asennus ja sijoittelu varmistaakseen, että kaikki ultraäänitekniikan edut hyödynnetään täysin virtauksen mittauksessa.