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産業市場では、半導体チップセットは、機械機器を電気機械または純粋な電子機器に変換する上で大きな役割を果たします。各市場セグメントは多くのアプリケーションに分類でき、メーカーはアプリケーションごとに特定の製品を設計します。
超音波または超音波技術は、100 年以上にわたって一部の民間、医療、軍事分野で使用されてきました。ほぼすべての人が、一生のうちに医療用超音波技術を使用することになります。しかし、その最新の応用例は、産業および自動車分野における自動化の実現です。このテクノロジーが一連の本当に多様なアプリケーションに導入されていることを見て私たちは驚いています。超音波技術の非侵襲性 (非腐食性) および非接触特性により、医療、製薬、軍事および工場での用途に最適です。
産業および自動車市場では、超音波技術は距離測定、占有検知、レベル検知、組成分析、流量測定、駐車支援、着陸支援、トランク開閉支援などに使用されています。超音波トランスデューサとしても知られる超音波センサーは、人間が聞くことができない周波数外で動作することができ、その動作周波数の範囲は 20 kHz から数 MHz です。
ほとんどの超音波トランスデューサーは圧電材料でできており、電気パルスが印加されると機械振動または超音波が生成されます。一部のトランスデューサは、機械的振動を電気エネルギーに変換することもできます。トランスデューサは大きく次の 3 つのタイプに分類されます。
受信した電気信号を処理した後、産業用または自動車用アプリケーションに適したいくつかの関連コンポーネントを取得できます。最も一般的で重要なコンポーネントの 1 つは超音波飛行時間 (TOF) です。これは、流量測定用の超音波流量計トランスデューサーから対象物体に放射され、対象物体から反射されてセンサーに戻る超音波の往復時間の推定値を指します。これは、スマート メーターで超音波技術を使用して水、ガス、または暖房の流れ (侵入型か非侵入型かにかかわらず) を測定し、消費者に消費量データを提示して簡単に請求する基本原理です。
流量測定は、液体または気体の流れ（体積または速度）を定量化することです。測定単位は、リットル/分 (または秒または時間) または平方メートル/秒に似ています。流量計の範囲は、家庭用の単純な公共機器 (ガス/水道/暖房) から、危険な液体やガス (石油、鉱業、廃水処理、塗料、化学薬品など) 用の工業用機器やミキサーまで、比較的広範囲に及びます。構造的には、流量計はセンサーユニット、測定ユニット、制御/通信ユニットで構成されており、それぞれはさらに機械式または電子式に分類できます。図 1 は、センサー ユニットを構成するさまざまな種類の流量計センシング技術を比較しています。超音波流量計にはいくつかの利点があります。
図 1: 液体または気体の流量検知方法の比較
TOF または超音波を使用した超音波流量計トランスデューサは、送受信された超音波信号の時間差 (伝播遅延) を計算することで流量を測定します。これを流量測定に適用するために、設計者は、一対の同一のトランシーバー型トランスデューサーを使用して、上流方向と下流方向にそれぞれ励起します。流体の流れと一致する方向に伝播する場合、超音波はより速く伝播しますが、流体の流れと反対の方向に伝播する場合、超音波はより遅く伝播します。したがって、少なくとも 1 組のトランスデューサが必要ですが、トポロジによってはさらに多くのトランスデューサを使用します。
図2は超音波流量検出の典型的な概念を示しており、パイプライン内のトランスデューサの配置を選択できます。超音波センサの選択は、流量測定が必要な媒体の種類によって異なります。一般に、液体センシングではスペクトル内のより高い周波数 (> 1 MHz) のセンサーが使用され、気体媒体ではより低い周波数 (< 500 kHz) のセンサーが使用されます。さらに、流量測定に使用される超音波技術では、2 つのトランスデューサー間に直接経路が必要となるため、トランスデューサーを収容する流体パイプラインの機械構造の設計を慎重に行う必要があります。気泡が存在すると超音波信号が大幅に減衰する可能性があるため、超音波技術は気泡の存在下では機能しません。
図 2: 流量計の超音波センシングの一般的なトポロジーの例とパイプ内の設置場所
図 3 は、トランスデューサーが底部に配置され、超音波信号がトランスデューサー (図の XDCR1 と XDCR2) 間を確実に伝播できるように反射材を配置した一般的な配管設計を示しています。
図 3: 1 対のトランスデューサーが取り付けられたユニバーサル フロー チューブ
ここで、Δt は TOF、c はパイプライン内の媒体を伝播する超音波信号の速度、v は流速、L はパイプラインの伝播長、T12 は上流の伝播時間、T21 は下流の伝播時間です。TOF 情報を決定するにはいくつかの方法がありますが、すべての方法でトランスデューサの出力を処理できる必要があります。図 4 は典型的な出力を示しています。
図 4: 電気的に励起されたときの超音波トランスデューサの典型的な応答
この波形を処理すると、方程式 1 と 2 を解くために必要な情報が得られます。波形を処理するには、時間デジタル変換 (TDC)、ゼロクロス検出、波形キャプチャなど、いくつかの方法があります。各方法には長所と短所があります。
チップベンダーは、超音波流量測定の問題を解決するためにさまざまなアーキテクチャを使用しています。一部のメーカーはディスクリートのアナログ コンポーネントを使用し、その後にデジタル プロセッサを使用しています。他のメーカーは、アナログ コンポーネントをデジタル プロセッサに統合してシングルチップ ソリューションを形成しようと試みています。波形キャプチャ方法では、高速アナログ回路を使用して超音波信号全体をキャプチャし、次にアナログデジタルコンバータを使用してアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号処理アルゴリズムで TOF 情報を取得します。
チップベンダーは、超音波流量測定の問題を解決するためにさまざまなアーキテクチャを使用しています。一部のメーカーは、100KHz 超音波トランスデューサーのディスクリート アナログ コンポーネントを使用し、その後にデジタル プロセッサーを使用しています。他のメーカーは、アナログ コンポーネントをデジタル プロセッサに統合してシングルチップ ソリューションを形成しようと試みています。波形キャプチャ方法では、高速アナログ回路を使用して超音波信号全体をキャプチャし、次にアナログデジタルコンバータを使用してアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号処理アルゴリズムで TOF 情報を取得します。
超音波トランスデューサの技術的改良により、超音波トランスデューサはより安価で、より正確で、サイズが小さくなり、どこにでも普及するようになったので、超音波技術は流量測定に広く使用されています。高度な統合アナログ回路により、超音波トランスデューサー波形のリアルタイムでの捕捉と処理が容易になり、正確な TOF 情報が得られます。さらに、超音波流量計はより正確で、サイズが小さく、可動部品がないため、メーカーにとって機械式流量計を置き換える優れた選択肢となっています。ただし、メーカーは依然として、超音波技術のすべての利点が流量測定で十分に活用されるように、配管設計、トランスデューサーの設置および位置を注意深く理解する必要があります。
