बुद्धिमान प्रवाह मापन में अल्ट्रासोनिक प्रौद्योगिकी का अनुप्रयोग

औद्योगिक बाजार में, सेमीकंडक्टर चिपसेट यांत्रिक उपकरणों को इलेक्ट्रोमैकेनिकल या विशुद्ध रूप से इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में बदलने में बहुत बड़ी भूमिका निभाते हैं। प्रत्येक बाज़ार खंड को कई अनुप्रयोगों में विभाजित किया जा सकता है, और निर्माता प्रत्येक अनुप्रयोग के लिए विशिष्ट उत्पाद डिज़ाइन करेंगे।

अल्ट्रासाउंड या अल्ट्रासाउंड तकनीक का उपयोग कुछ नागरिक, चिकित्सा और सैन्य क्षेत्रों में 100 से अधिक वर्षों से किया जा रहा है। लगभग हर कोई अपने जीवनकाल में मेडिकल अल्ट्रासाउंड तकनीक का उपयोग करेगा। हालाँकि, इसका सबसे हालिया अनुप्रयोग मामला औद्योगिक और ऑटोमोटिव क्षेत्रों में स्वचालन की प्राप्ति है। हमें यह देखकर आश्चर्य हुआ कि इस तकनीक ने वास्तव में विविध अनुप्रयोगों की श्रृंखला में अपना स्थान ले लिया है। अल्ट्रासोनिक प्रौद्योगिकी की गैर-आक्रामक (गैर-संक्षारक) और गैर-संपर्क विशेषताएं इसे चिकित्सा, दवा, सैन्य और कारखाने के अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाती हैं।

औद्योगिक और ऑटोमोटिव बाजारों में, दूरी माप, अधिभोग का पता लगाने, स्तर का पता लगाने, संरचना विश्लेषण, प्रवाह दर माप, पार्किंग सहायता, लैंडिंग सहायता और ट्रंक खोलने में सहायता के लिए अल्ट्रासोनिक तकनीक पाई जा सकती है। अल्ट्रासोनिक सेंसर, जिन्हें अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के रूप में भी जाना जाता है, उन आवृत्तियों के बाहर काम कर सकते हैं जिन्हें मनुष्य नहीं सुन सकते हैं, और उनकी ऑपरेटिंग आवृत्ति 20 किलोहर्ट्ज़ से लेकर कुछ मेगाहर्ट्ज़ तक होती है।

अधिकांश अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों से बने होते हैं, और जब विद्युत पल्स लागू होते हैं, तो यांत्रिक कंपन या अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न होती हैं। कुछ ट्रांसड्यूसर यांत्रिक कंपन को वापस विद्युत ऊर्जा में भी परिवर्तित कर सकते हैं। ट्रांसड्यूसर को मोटे तौर पर तीन प्रकारों में विभाजित किया गया है:

प्राप्त विद्युत सिग्नल को संसाधित करने के बाद, आप औद्योगिक या ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त कई प्रासंगिक घटक प्राप्त कर सकते हैं। सबसे आम और महत्वपूर्ण घटकों में से एक अल्ट्रासोनिक टाइम-ऑफ़-फ़्लाइट (टीओएफ) है, जो लक्ष्य ऑब्जेक्ट में प्रवाह माप के लिए अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर ट्रांसड्यूसर से उत्सर्जित अल्ट्रासोनिक तरंगों के राउंड-ट्रिप समय अनुमान को संदर्भित करता है और फिर ऑब्जेक्ट से सेंसर पर वापस प्रतिबिंबित होता है। पानी, गैस या हीटिंग (चाहे घुसपैठिया या गैर-घुसपैठ) के प्रवाह को मापने और आसान बिलिंग के लिए उपभोक्ताओं को खपत डेटा प्रस्तुत करने के लिए स्मार्ट मीटर में अल्ट्रासोनिक तकनीक का उपयोग करने का यह मूल सिद्धांत है।

प्रवाह माप तरल या गैस प्रवाह (आयतन या वेग) की मात्रा का ठहराव है। माप की इकाई लीटर/मिनट (या सेकंड या घंटे) या वर्ग मीटर/सेकंड के समान है। घरेलू उपयोग (गैस/पानी/हीटिंग) के लिए साधारण सार्वजनिक उपकरणों से लेकर खतरनाक तरल पदार्थ या गैसों (तेल, खनन, अपशिष्ट जल उपचार, पेंट और रसायन, आदि) के लिए औद्योगिक उपकरणों या मिक्सर तक, फ्लोमीटर की सीमा अपेक्षाकृत व्यापक है। संरचनात्मक रूप से, प्रवाहमापी में एक सेंसर इकाई, एक माप इकाई और एक नियंत्रण/संचार इकाई शामिल होती है, जिनमें से प्रत्येक को आगे यांत्रिक या इलेक्ट्रॉनिक में विभाजित किया जा सकता है। चित्र 1 सेंसर इकाई बनाने वाली विभिन्न प्रकार की फ्लोमीटर सेंसिंग तकनीकों की तुलना करता है। अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर के कई फायदे हैं।

चित्र 1: तरल या गैस प्रवाह संवेदन विधियों की तुलना

टीओएफ या अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर ट्रांसड्यूसर संचारित और प्राप्त अल्ट्रासाउंड संकेतों के समय अंतर (प्रसार विलंब) की गणना करके प्रवाह को मापता है। प्रवाह माप पर इसे लागू करने के लिए, डिजाइनर क्रमशः अपस्ट्रीम और डाउनस्ट्रीम दिशाओं में उन्हें उत्तेजित करने के लिए समान ट्रांसीवर-प्रकार ट्रांसड्यूसर की एक जोड़ी का उपयोग करते हैं। द्रव प्रवाह के अनुरूप दिशा में प्रचार करते समय, अल्ट्रासोनिक तरंगें तेजी से फैलती हैं, जबकि द्रव प्रवाह के विपरीत दिशा में, अल्ट्रासोनिक तरंगें धीमी गति से फैलती हैं। इसलिए, ट्रांसड्यूसर की कम से कम एक जोड़ी की आवश्यकता होती है, लेकिन कुछ टोपोलॉजी अधिक ट्रांसड्यूसर का उपयोग करती हैं।

चित्र 2 अल्ट्रासोनिक प्रवाह का पता लगाने की एक विशिष्ट अवधारणा को दर्शाता है, और पाइपलाइन में ट्रांसड्यूसर की नियुक्ति का चयन किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक सेंसर की पसंद माध्यम के प्रकार पर निर्भर करती है जिसके लिए प्रवाह दर माप की आवश्यकता होती है। आम तौर पर, तरल सेंसिंग स्पेक्ट्रम में उच्च आवृत्तियों (> 1 मेगाहर्ट्ज) वाले सेंसर का उपयोग करता है, जबकि गैसीय मीडिया कम आवृत्तियों (<500 किलोहर्ट्ज) वाले सेंसर का उपयोग करता है। इसके अलावा, प्रवाह माप के लिए उपयोग की जाने वाली अल्ट्रासोनिक तकनीक के लिए किन्हीं दो ट्रांसड्यूसर के बीच एक सीधे पथ की आवश्यकता होती है, जिसके लिए ट्रांसड्यूसर को रखने वाली द्रव पाइपलाइन के सावधानीपूर्वक यांत्रिक निर्माण डिजाइन की आवश्यकता होती है। अल्ट्रासोनिक तकनीक बुलबुले की उपस्थिति में काम नहीं करती है, क्योंकि बुलबुले अल्ट्रासाउंड सिग्नल के महत्वपूर्ण क्षीणन का कारण बन सकते हैं।

चित्र 2: फ्लोमीटर और पाइपों में स्थापना स्थानों की अल्ट्रासोनिक सेंसिंग के लिए सामान्य टोपोलॉजी के उदाहरण
चित्र 3 में एक सामान्य पाइपिंग डिज़ाइन दिखाया गया है जिसमें नीचे ट्रांसड्यूसर और परावर्तक सामग्री रखी गई है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि अल्ट्रासोनिक सिग्नल ट्रांसड्यूसर (चित्र में XDCR1 और XDCR2) के बीच प्रसारित हो सके।

चित्र 3: स्थापित ट्रांसड्यूसर की एक जोड़ी के साथ सार्वभौमिक प्रवाह ट्यूब

जहां Δt TOF है, c पाइपलाइन में माध्यम में फैलने वाले अल्ट्रासोनिक सिग्नल की गति है, v प्रवाह वेग है, L पाइपलाइन की प्रसार लंबाई है, T12 अपस्ट्रीम में प्रसार समय है, और T21 डाउनस्ट्रीम में प्रसार समय है। TOF जानकारी निर्धारित करने के कई तरीके हैं, लेकिन सभी तरीकों को ट्रांसड्यूसर के आउटपुट को संसाधित करने में सक्षम होना चाहिए। चित्र 4 एक विशिष्ट आउटपुट दिखाता है।

चित्र 4: विद्युत रूप से उत्तेजित होने पर एक अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर की विशिष्ट प्रतिक्रिया।
इस तरंग रूप का प्रसंस्करण समीकरण 1 और 2 को हल करने के लिए आवश्यक जानकारी प्रदान करता है। तरंगों को संसाधित करने के कई तरीके हैं, जिनमें टाइम-टू-डिजिटल रूपांतरण (टीडीसी), शून्य-क्रॉसिंग डिटेक्शन और वेवफॉर्म कैप्चर शामिल हैं। प्रत्येक विधि के फायदे और नुकसान हैं।
 
चिप विक्रेता अल्ट्रासोनिक प्रवाह माप समस्याओं को हल करने के लिए विभिन्न आर्किटेक्चर का उपयोग करते हैं। कुछ निर्माता अलग-अलग एनालॉग घटकों का उपयोग करते हैं, इसके बाद डिजिटल प्रोसेसर का उपयोग करते हैं। अन्य निर्माताओं ने सिंगल-चिप समाधान बनाने के लिए एनालॉग घटकों को डिजिटल प्रोसेसर में एकीकृत करने का प्रयास किया है। वेवफॉर्म कैप्चर विधि में, पूरे अल्ट्रासोनिक सिग्नल को कैप्चर करने के लिए एक तेज़ एनालॉग सर्किट का उपयोग किया जाता है, और फिर एनालॉग सिग्नल को डिजिटल सिग्नल में परिवर्तित करने के लिए एक एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर का उपयोग किया जाता है, और फिर डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग एल्गोरिदम टीओएफ जानकारी प्राप्त कर सकता है।
 
चिप विक्रेता अल्ट्रासोनिक प्रवाह माप समस्याओं को हल करने के लिए विभिन्न आर्किटेक्चर का उपयोग करते हैं। कुछ निर्माता 100KHz अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के अलग एनालॉग घटकों का उपयोग करते हैं, इसके बाद डिजिटल प्रोसेसर का उपयोग करते हैं। अन्य निर्माताओं ने सिंगल-चिप समाधान बनाने के लिए एनालॉग घटकों को डिजिटल प्रोसेसर में एकीकृत करने का प्रयास किया है। वेवफॉर्म कैप्चर विधि में, पूरे अल्ट्रासोनिक सिग्नल को कैप्चर करने के लिए एक तेज़ एनालॉग सर्किट का उपयोग किया जाता है, और फिर एनालॉग सिग्नल को डिजिटल सिग्नल में परिवर्तित करने के लिए एक एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर का उपयोग किया जाता है, और फिर डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग एल्गोरिदम टीओएफ जानकारी प्राप्त कर सकता है।
 
अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के तकनीकी सुधारों के कारण, उन्हें सस्ता, अधिक सटीक, आकार में छोटा और सर्वव्यापी बनाने के कारण, प्रवाह माप में अल्ट्रासोनिक तकनीक का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। उन्नत एकीकृत एनालॉग सर्किट वास्तविक समय में अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर तरंग को पकड़ना और संसाधित करना आसान बनाता है, इस प्रकार सटीक टीओएफ जानकारी प्राप्त होती है। इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर अधिक सटीक है, आकार में छोटा है, और इसमें कोई हिलने वाला भाग नहीं है, जिससे यह यांत्रिक फ्लोमीटर को बदलने के लिए निर्माताओं के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प है। हालाँकि, निर्माताओं को अभी भी पाइपिंग डिज़ाइन और ट्रांसड्यूसर इंस्टॉलेशन और स्थिति को सावधानीपूर्वक समझने की आवश्यकता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि अल्ट्रासोनिक तकनीक के सभी फायदे प्रवाह माप में पूरी तरह से उपयोग किए जाते हैं।