Applicazione della tecnologia ad ultrasuoni nella misurazione intelligente del flusso

Nel mercato industriale, i chipset semiconduttori svolgono un ruolo enorme nella trasformazione delle apparecchiature meccaniche in apparecchiature elettromeccaniche o puramente elettroniche. Ogni segmento di mercato può essere suddiviso in molte applicazioni e i produttori progetteranno prodotti specifici per ciascuna applicazione.

Gli ultrasuoni o la tecnologia ad ultrasuoni sono utilizzati in alcuni campi civili, medici e militari da più di 100 anni. Quasi tutti utilizzeranno la tecnologia medica a ultrasuoni nel corso della loro vita. Tuttavia il suo caso applicativo più recente è la realizzazione di automazione in ambito industriale e automobilistico. Siamo sorpresi nel vedere che questa tecnologia ha trovato il suo posto in una serie di applicazioni davvero diverse. Le caratteristiche non invasive (non corrosive) e senza contatto della tecnologia a ultrasuoni la rendono ideale per applicazioni mediche, farmaceutiche, militari e industriali.

Nei mercati industriale e automobilistico, è possibile trovare la tecnologia a ultrasuoni per la misurazione della distanza, il rilevamento dell'occupazione, il rilevamento del livello, l'analisi della composizione, la misurazione della portata, l'assistenza al parcheggio, l'assistenza all'atterraggio e l'assistenza all'apertura del bagagliaio. I sensori a ultrasuoni, noti anche come trasduttori a ultrasuoni, possono funzionare al di fuori delle frequenze che gli esseri umani non possono sentire e le loro frequenze operative vanno da 20 kHz a pochi megahertz.

La maggior parte dei trasduttori a ultrasuoni sono realizzati con materiali piezoelettrici e quando vengono applicati impulsi elettrici vengono generate vibrazioni meccaniche o onde ultrasoniche. Alcuni trasduttori possono anche riconvertire le vibrazioni meccaniche in energia elettrica. I trasduttori si dividono grosso modo in tre tipologie:

Dopo aver elaborato il segnale elettrico ricevuto, è possibile ottenere numerosi componenti rilevanti adatti per applicazioni industriali o automobilistiche. Uno dei componenti più comuni e importanti è il tempo di volo ultrasonico (TOF), che si riferisce alla stima del tempo di andata e ritorno delle onde ultrasoniche emesse dal trasduttore del misuratore di portata a ultrasuoni per la misurazione del flusso verso l'oggetto target e quindi riflesse dall'oggetto al sensore. Questo è il principio di base dell’utilizzo della tecnologia a ultrasuoni nei contatori intelligenti per misurare il flusso di acqua, gas o riscaldamento (intrusivo o non intrusivo) e presentare i dati di consumo ai consumatori per una facile fatturazione.

La misurazione del flusso è la quantificazione del flusso di liquido o gas (volume o velocità). L'unità di misura è simile a litri/minuto (o secondi o ore) o metri quadrati/secondo. La gamma di misuratori di portata è relativamente ampia, dai semplici strumenti pubblici per uso domestico (gas/acqua/riscaldamento) agli strumenti industriali o miscelatori per liquidi o gas pericolosi (petrolio, miniere, trattamento delle acque reflue, vernici e prodotti chimici, ecc.). Strutturalmente il misuratore di portata comprende un'unità sensore, un'unità di misura e un'unità di controllo/comunicazione, ciascuna delle quali può essere ulteriormente suddivisa in meccanica o elettronica. La Figura 1 mette a confronto i diversi tipi di tecnologie di rilevamento del misuratore di portata che compongono l'unità sensore. I misuratori di portata ad ultrasuoni presentano numerosi vantaggi.

Figura 1: Confronto tra metodi di rilevamento del flusso di liquidi o gas

Il trasduttore del misuratore di portata ad ultrasuoni che utilizza TOF o ultrasuoni misura il flusso calcolando la differenza di tempo (ritardo di propagazione) dei segnali ultrasonici trasmessi e ricevuti. Per applicarlo alla misurazione del flusso, i progettisti utilizzano una coppia di trasduttori identici di tipo ricetrasmettitore per eccitarli rispettivamente nelle direzioni a monte e a valle. Quando si propagano in una direzione coerente con il flusso del fluido, le onde ultrasoniche si propagano più velocemente, mentre in una direzione opposta al flusso del fluido, le onde ultrasoniche si propagano più lentamente. Pertanto è necessaria almeno una coppia di trasduttori, ma alcune topologie utilizzano più trasduttori.

La Figura 2 mostra un concetto tipico di rilevamento del flusso a ultrasuoni ed è possibile selezionare il posizionamento del trasduttore nella tubazione. La scelta del sensore a ultrasuoni dipende dal tipo di mezzo che richiede la misurazione della portata. Generalmente, il rilevamento dei liquidi utilizza sensori con frequenze più elevate nello spettro (> 1 MHz), mentre i mezzi gassosi utilizzano sensori con frequenze più basse (<500 kHz). Inoltre, la tecnologia a ultrasuoni utilizzata per la misurazione del flusso richiede un percorso diretto tra due trasduttori qualsiasi, il che richiede un'attenta progettazione meccanica della tubazione del fluido che ospita il trasduttore. La tecnologia ad ultrasuoni non funziona in presenza di bolle, poiché le bolle possono causare un'attenuazione significativa del segnale ultrasonico.

Figura 2: Esempi di topologie comuni per il rilevamento a ultrasuoni di misuratori di portata e posizioni di installazione nelle tubazioni
La Figura 3 mostra un progetto generico di tubazione con il trasduttore posizionato sul fondo e materiale riflettente per garantire che il segnale ultrasonico possa propagarsi tra i trasduttori (XDCR1 e XDCR2 nella figura).

Figura 3: Tubo di flusso universale con una coppia di trasduttori installati

Dove Δt è TOF, c è la velocità del segnale ultrasonico che si propaga nel mezzo nella tubazione, v è la velocità del flusso, L è la lunghezza di propagazione della tubazione, T12 è il tempo di propagazione a monte e T21 è il tempo di propagazione a valle. Esistono diversi modi per determinare le informazioni TOF, ma tutti i metodi devono essere in grado di elaborare l'uscita del trasduttore. La Figura 4 mostra un output tipico.

Figura 4: Risposta tipica di un trasduttore a ultrasuoni quando è eccitato elettricamente
L'elaborazione di questa forma d'onda fornisce le informazioni necessarie per risolvere le equazioni 1 e 2. Esistono diversi modi per elaborare le forme d'onda, tra cui la conversione tempo-digitale (TDC), il rilevamento del passaggio per lo zero e l'acquisizione della forma d'onda. Ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi.
 
I fornitori di chip utilizzano varie architetture per risolvere i problemi di misurazione del flusso a ultrasuoni. Alcuni produttori utilizzano componenti analogici discreti, seguiti da processori digitali. Altri produttori hanno tentato di integrare componenti analogici nei processori digitali per formare una soluzione a chip singolo. Nel metodo di acquisizione della forma d'onda, viene utilizzato un circuito analogico veloce per acquisire l'intero segnale ultrasonico, quindi viene utilizzato un convertitore analogico-digitale per convertire il segnale analogico in un segnale digitale, quindi l'algoritmo di elaborazione del segnale digitale può ottenere informazioni TOF.
 
I fornitori di chip utilizzano varie architetture per risolvere i problemi di misurazione del flusso a ultrasuoni. Alcuni produttori utilizzano componenti analogici discreti del trasduttore ultrasonico da 100 KHz, seguiti da processori digitali. Altri produttori hanno tentato di integrare componenti analogici nei processori digitali per formare una soluzione a chip singolo. Nel metodo di acquisizione della forma d'onda, viene utilizzato un circuito analogico veloce per acquisire l'intero segnale ultrasonico, quindi viene utilizzato un convertitore analogico-digitale per convertire il segnale analogico in un segnale digitale, quindi l'algoritmo di elaborazione del segnale digitale può ottenere informazioni TOF.
 
Grazie ai miglioramenti tecnici dei trasduttori a ultrasuoni, che li hanno resi più economici, più accurati, di dimensioni più piccole e onnipresenti, la tecnologia a ultrasuoni è stata ampiamente utilizzata nella misurazione del flusso. L'avanzato circuito analogico integrato semplifica l'acquisizione e l'elaborazione della forma d'onda del trasduttore ultrasonico in tempo reale, ottenendo così informazioni TOF precise. Inoltre, il misuratore di portata a ultrasuoni è più preciso, di dimensioni più piccole e non ha parti mobili, il che lo rende una scelta eccellente per i produttori che vogliono sostituire i misuratori di portata meccanici. Tuttavia, i produttori devono ancora comprendere attentamente la progettazione delle tubazioni, l'installazione e il posizionamento del trasduttore per garantire che tutti i vantaggi della tecnologia a ultrasuoni siano pienamente utilizzati nella misurazione del flusso.