Primjena ultrazvučne tehnologije u inteligentnom mjerenju protoka

Na industrijskom tržištu poluvodički skupovi čipova igraju veliku ulogu u transformaciji mehaničke opreme u elektromehaničku ili čisto elektroničku opremu. Svaki tržišni segment može se raščlaniti na mnoge primjene, a proizvođači će dizajnirati specifične proizvode za svaku primjenu.

Ultrazvuk ili ultrazvučna tehnologija koristi se u nekim civilnim, medicinskim i vojnim područjima više od 100 godina. Gotovo će svatko tijekom života koristiti medicinsku ultrazvučnu tehnologiju. Međutim, njegov najnoviji slučaj primjene je realizacija automatizacije u industrijskim i automobilskim poljima. Iznenađeni smo kad vidimo da je ova tehnologija zauzela svoje mjesto u nizu doista raznolikih primjena. Neinvazivne (nekorozivne) i beskontaktne karakteristike ultrazvučne tehnologije čine je idealnom za medicinske, farmaceutske, vojne i tvorničke primjene.

Na industrijskom i automobilskom tržištu može se pronaći ultrazvučna tehnologija za mjerenje udaljenosti, otkrivanje popunjenosti, otkrivanje razine, analizu sastava, mjerenje protoka, pomoć pri parkiranju, pomoć pri slijetanju i pomoć pri otvaranju prtljažnika. Ultrazvučni senzori, također poznati kao ultrazvučni pretvarači, mogu raditi izvan frekvencija koje ljudi ne mogu čuti, a njihove radne frekvencije kreću se od 20 kHz do nekoliko megaherca.

Većina ultrazvučnih sondi izrađena je od piezoelektričnih materijala, a kada se primijene električni impulsi, generiraju se mehaničke vibracije ili ultrazvučni valovi. Neki pretvarači također mogu mehaničke vibracije pretvoriti natrag u električnu energiju. Transduktori se grubo dijele na tri vrste:

Nakon obrade primljenog električnog signala, možete dobiti nekoliko relevantnih komponenti prikladnih za industrijske ili automobilske primjene. Jedna od najčešćih i najvažnijih komponenti je ultrazvučno vrijeme leta (TOF), koje se odnosi na procjenu vremena povratnog putovanja ultrazvučnih valova emitiranih iz ultrazvučne sonde mjerača protoka za mjerenje protoka do ciljnog objekta i zatim reflektiranih natrag od objekta do senzora. Ovo je osnovno načelo korištenja ultrazvučne tehnologije u pametnim brojilima za mjerenje protoka vode, plina ili grijanja (bilo nametljivo ili nenametljivo), te prezentiranje podataka o potrošnji potrošačima za jednostavno naplatu.

Mjerenje protoka je kvantifikacija protoka tekućine ili plina (volumena ili brzine). Mjerna jedinica je slična litrama / minuti (ili sekundama ili satima) ili kvadratnim metrima / sekundi. Raspon mjerača protoka je relativno širok, od jednostavnih javnih instrumenata za uporabu u kućanstvu (plin/voda/grijanje) do industrijskih instrumenata ili miješalica za opasne tekućine ili plinove (nafta, rudarstvo, pročišćavanje otpadnih voda, boje i kemikalije, itd.). Strukturno, mjerač protoka uključuje senzorsku jedinicu, mjernu jedinicu i upravljačku / komunikacijsku jedinicu, od kojih se svaka može dalje podijeliti na mehaničku ili elektroničku. Slika 1 uspoređuje različite vrste senzorskih tehnologija mjerača protoka koji čine senzorsku jedinicu. Ultrazvučni mjerači protoka imaju nekoliko prednosti.

Slika 1: Usporedba metoda mjerenja protoka tekućine ili plina

Ultrazvučni pretvarač mjerača protoka pomoću TOF-a ili ultrazvuka mjeri protok izračunavanjem vremenske razlike (kašnjenja širenja) odaslanih i primljenih ultrazvučnih signala. Kako bi ga primijenili na mjerenje protoka, dizajneri koriste par identičnih sondi tipa primopredajnika kako bi ih pobudili u uzvodnom i nizvodnom smjeru. Kada se šire u smjeru koji je u skladu s protokom tekućine, ultrazvučni valovi šire se brže, dok se u smjeru suprotnom od protoka tekućine ultrazvučni valovi šire sporije. Stoga je potreban barem jedan par sondi, ali neke topologije koriste više sondi.

Slika 2 prikazuje tipični koncept ultrazvučne detekcije protoka, a može se odabrati i položaj sonde u cjevovodu. Izbor ultrazvučnog senzora ovisi o vrsti medija koji zahtijeva mjerenje protoka. Općenito, očitavanje tekućina koristi senzore s višim frekvencijama u spektru (> 1 MHz), dok plinoviti mediji koriste senzore s nižim frekvencijama (<500 kHz). Osim toga, ultrazvučna tehnologija koja se koristi za mjerenje protoka zahtijeva izravan put između bilo koje dvije sonde, što zahtijeva pažljivo projektiranje mehaničke konstrukcije cjevovoda tekućine u kojem se nalazi sonda. Ultrazvučna tehnologija ne radi u prisutnosti mjehurića jer mjehurići mogu uzrokovati značajno slabljenje ultrazvučnog signala.

Slika 2: Primjeri uobičajenih topologija za ultrazvučno očitavanje mjerača protoka i mjesta ugradnje u cijevi
Slika 3 prikazuje generički dizajn cjevovoda s pretvaračem postavljenim na dnu i reflektirajućim materijalom kako bi se osiguralo da se ultrazvučni signal može širiti između pretvarača (XDCR1 i XDCR2 na slici).

Slika 3: Univerzalna protočna cijev s instaliranim parom pretvarača

Gdje je Δt TOF, c je brzina ultrazvučnog signala koji se širi u mediju u cjevovodu, v je brzina protoka, L je duljina širenja cjevovoda, T12 je vrijeme širenja uzvodno, a T21 je vrijeme širenja nizvodno. Postoji nekoliko načina za određivanje TOF informacija, ali sve metode moraju moći obraditi izlaz sonde. Slika 4 prikazuje tipični izlaz.

Slika 4: Tipični odziv ultrazvučnog pretvornika kada je električno pobuđen
Obrada ovog valnog oblika daje informacije potrebne za rješavanje jednadžbi 1 i 2. Postoji nekoliko načina za obradu valnih oblika, uključujući pretvorbu vremena u digitalnu (TDC), otkrivanje prelaska nule i snimanje valnog oblika. Svaka metoda ima prednosti i nedostatke.
 
Prodavači čipova koriste različite arhitekture za rješavanje problema ultrazvučnog mjerenja protoka. Neki proizvođači koriste diskretne analogne komponente, a zatim digitalne procesore. Drugi su proizvođači pokušali integrirati analogne komponente u digitalne procesore kako bi formirali rješenje s jednim čipom. U metodi hvatanja valnog oblika, brzi analogni krug se koristi za hvatanje cijelog ultrazvučnog signala, a zatim se koristi analogno-digitalni pretvarač za pretvaranje analognog signala u digitalni signal, a zatim algoritam za digitalnu obradu signala može dobiti TOF informacije.
 
Prodavači čipova koriste različite arhitekture za rješavanje problema ultrazvučnog mjerenja protoka. Neki proizvođači koriste diskretne analogne komponente ultrazvučnog pretvarača od 100 KHz, a zatim digitalne procesore. Drugi su proizvođači pokušali integrirati analogne komponente u digitalne procesore kako bi formirali rješenje s jednim čipom. U metodi hvatanja valnog oblika, brzi analogni krug se koristi za hvatanje cijelog ultrazvučnog signala, a zatim se koristi analogno-digitalni pretvarač za pretvaranje analognog signala u digitalni signal, a zatim algoritam za digitalnu obradu signala može dobiti TOF informacije.
 
Zbog tehničkih poboljšanja ultrazvučnih sondi, koja ih čine jeftinijima, preciznijima, manjim veličinama i sveprisutnom, ultrazvučna tehnologija naširoko se koristi u mjerenju protoka. Napredni integrirani analogni krug olakšava snimanje i obradu valnog oblika ultrazvučne sonde u stvarnom vremenu, čime se dobivaju točne TOF informacije. Uz to, ultrazvučni mjerač protoka je precizniji, manje veličine i nema pomičnih dijelova, što ga čini izvrsnim izborom za proizvođače za zamjenu mehaničkih mjerača protoka. Međutim, proizvođači i dalje moraju pažljivo razumjeti dizajn cjevovoda te instalaciju i pozicioniranje sonde kako bi osigurali da se sve prednosti ultrazvučne tehnologije u potpunosti iskoriste u mjerenju protoka.