Aplikasi Teknologi Ultrasonik dalam Pengukuran Aliran Pintar

Dalam pasaran perindustrian, cipset semikonduktor memainkan peranan yang besar dalam transformasi peralatan mekanikal kepada peralatan elektromekanikal atau elektronik semata-mata. Setiap segmen pasaran boleh dipecahkan kepada banyak aplikasi, dan pengeluar akan mereka produk khusus untuk setiap aplikasi.

Teknologi ultrabunyi atau ultrasound telah digunakan dalam beberapa bidang awam, perubatan dan ketenteraan selama lebih daripada 100 tahun. Hampir semua orang akan menggunakan teknologi ultrasound perubatan sepanjang hayat mereka. Walau bagaimanapun, kes aplikasi terbarunya ialah merealisasikan automasi dalam bidang perindustrian dan automotif. Kami terkejut melihat teknologi ini telah mengambil tempatnya dalam satu siri aplikasi yang benar-benar pelbagai. Ciri teknologi ultrasonik yang tidak invasif (tidak menghakis) dan tidak bersentuhan menjadikannya sesuai untuk aplikasi perubatan, farmaseutikal, ketenteraan dan kilang.

Dalam pasaran industri dan automotif, teknologi ultrasonik boleh didapati untuk pengukuran jarak, pengesanan penghunian, pengesanan tahap, analisis komposisi, pengukuran kadar aliran, bantuan tempat letak kereta, bantuan pendaratan, dan bantuan pembukaan batang. Penderia ultrasonik, juga dikenali sebagai transduser ultrasonik, boleh beroperasi di luar frekuensi yang tidak dapat didengari oleh manusia, dan frekuensi operasinya berjulat dari 20 kHz hingga beberapa megahertz.

Kebanyakan transduser ultrasonik diperbuat daripada bahan piezoelektrik, dan apabila denyutan elektrik digunakan, getaran mekanikal atau gelombang ultrasonik dihasilkan. Sesetengah transduser juga boleh menukarkan semula getaran mekanikal kepada tenaga elektrik. Transduser secara kasar dibahagikan kepada tiga jenis:

Selepas memproses isyarat elektrik yang diterima, anda boleh mendapatkan beberapa komponen yang berkaitan yang sesuai untuk aplikasi industri atau automotif. Salah satu komponen yang paling biasa dan penting ialah ultrasonik masa penerbangan (TOF), yang merujuk kepada anggaran masa pergi balik gelombang ultrasonik yang dipancarkan daripada transduser meter alir ultrasonik untuk pengukuran aliran ke objek sasaran dan kemudian dipantulkan kembali dari objek ke sensor. Ini ialah prinsip asas menggunakan teknologi ultrasonik dalam meter pintar untuk mengukur aliran air, gas atau pemanasan (sama ada mengganggu atau tidak mengganggu), dan menyampaikan data penggunaan kepada pengguna untuk pengebilan mudah.

Pengukuran aliran ialah kuantifikasi aliran cecair atau gas (isipadu atau halaju). Unit ukuran adalah serupa dengan liter / minit (atau saat atau jam) atau meter persegi / saat. Julat meter aliran adalah agak luas, daripada instrumen awam mudah untuk kegunaan isi rumah (gas / air / pemanasan) kepada instrumen industri atau pengadun untuk cecair atau gas berbahaya (minyak, perlombongan, rawatan air sisa, cat dan bahan kimia, dsb.). Secara struktur, meter alir termasuk unit sensor, unit ukuran, dan unit kawalan / komunikasi, yang setiap satunya boleh dibahagikan lagi kepada mekanikal atau elektronik. Rajah 1 membandingkan pelbagai jenis teknologi penderiaan meter alir yang membentuk unit penderia. Meter aliran ultrasonik mempunyai beberapa kelebihan.

Rajah 1: Perbandingan kaedah pengesan aliran cecair atau gas

Transduser ultrasonik flowmeter menggunakan TOF atau aliran ukuran ultrasound dengan mengira perbezaan masa (kelewatan penyebaran) isyarat ultrasound yang dihantar dan diterima. Untuk menerapkannya pada pengukuran aliran, pereka bentuk menggunakan sepasang transduser jenis transceiver yang sama untuk merangsang mereka dalam arah hulu dan hiliran, masing-masing. Apabila merambat dalam arah yang konsisten dengan aliran bendalir, gelombang ultrasonik merambat lebih cepat, manakala dalam arah yang bertentangan dengan aliran bendalir, gelombang ultrasonik merambat lebih perlahan. Oleh itu, sekurang-kurangnya sepasang transduser diperlukan, tetapi sesetengah topologi menggunakan lebih banyak transduser.

Rajah 2 menunjukkan konsep tipikal pengesanan aliran ultrasonik, dan penempatan transduser dalam saluran paip boleh dipilih. Pilihan sensor ultrasonik bergantung kepada jenis medium yang memerlukan pengukuran kadar aliran. Umumnya, penderiaan cecair menggunakan penderia dengan frekuensi yang lebih tinggi dalam spektrum (> 1 MHz), manakala media gas menggunakan penderia dengan frekuensi yang lebih rendah (<500 kHz). Di samping itu, teknologi ultrasonik yang digunakan untuk pengukuran aliran memerlukan laluan terus antara mana-mana dua transduser, yang memerlukan reka bentuk pembinaan mekanikal yang teliti bagi saluran paip bendalir yang menempatkan transduser. Teknologi ultrasonik tidak berfungsi dengan kehadiran buih, kerana buih boleh menyebabkan pengecilan ketara isyarat ultrasound.

Rajah 2: Contoh topologi biasa untuk penderiaan ultrasonik meter alir dan lokasi pemasangan dalam paip
Rajah 3 menunjukkan reka bentuk paip generik dengan transduser diletakkan di bahagian bawah dan bahan reflektif untuk memastikan isyarat ultrasonik boleh merambat antara transduser (XDCR1 dan XDCR2 dalam rajah).

Rajah 3: Tiub aliran universal dengan sepasang transduser dipasang

Di mana Δt ialah TOF, c ialah kelajuan isyarat ultrasonik yang merambat dalam medium dalam saluran paip, v ialah halaju aliran, L ialah panjang perambatan saluran paip, T12 ialah masa perambatan hulu, dan T21 ialah masa perambatan hiliran. Terdapat beberapa cara untuk menentukan maklumat TOF, tetapi semua kaedah perlu dapat memproses output tipikal bagi trans4du.

Rajah 4: Tindak balas tipikal transduser ultrasonik apabila ia teruja secara elektrik
Pemprosesan bentuk gelombang ini menyediakan maklumat yang diperlukan untuk menyelesaikan persamaan 1 dan 2. Terdapat beberapa cara untuk memproses bentuk gelombang, termasuk penukaran masa ke digital (TDC), pengesanan lintasan sifar dan tangkapan bentuk gelombang. Setiap kaedah mempunyai kelebihan dan kekurangan.
 
Penjual cip menggunakan pelbagai seni bina untuk menyelesaikan masalah pengukuran aliran ultrasonik. Sesetengah pengeluar menggunakan komponen analog diskret, diikuti oleh pemproses digital. Pengeluar lain telah cuba mengintegrasikan komponen analog ke dalam pemproses digital untuk membentuk penyelesaian cip tunggal. Dalam kaedah penangkapan bentuk gelombang, litar analog pantas digunakan untuk menangkap keseluruhan isyarat ultrasonik, dan kemudian penukar analog-ke-digital digunakan untuk menukar isyarat analog kepada isyarat digital, dan kemudian algoritma pemprosesan isyarat digital boleh mendapatkan maklumat TOF.
 
Penjual cip menggunakan pelbagai seni bina untuk menyelesaikan masalah pengukuran aliran ultrasonik. Sesetengah pengeluar menggunakan komponen analog diskret transduser ultrasonik 100KHz, diikuti oleh pemproses digital. Pengeluar lain telah cuba mengintegrasikan komponen analog ke dalam pemproses digital untuk membentuk penyelesaian cip tunggal. Dalam kaedah penangkapan bentuk gelombang, litar analog pantas digunakan untuk menangkap keseluruhan isyarat ultrasonik, dan kemudian penukar analog-ke-digital digunakan untuk menukar isyarat analog kepada isyarat digital, dan kemudian algoritma pemprosesan isyarat digital boleh mendapatkan maklumat TOF.
 
Oleh kerana penambahbaikan teknikal transduser ultrasonik, menjadikannya lebih murah, lebih tepat, lebih kecil dalam saiz, dan di mana-mana, teknologi ultrasonik telah digunakan secara meluas dalam pengukuran aliran. Litar analog bersepadu termaju memudahkan untuk menangkap dan memproses bentuk gelombang transduser ultrasonik dalam masa nyata, sekali gus mendapatkan maklumat TOF yang tepat. Di samping itu, meter aliran ultrasonik adalah lebih tepat, lebih kecil dalam saiz, dan tidak mempunyai bahagian yang bergerak, menjadikannya pilihan yang sangat baik untuk pengeluar menggantikan meter aliran mekanikal. Walau bagaimanapun, pengeluar masih perlu memahami dengan teliti reka bentuk paip dan pemasangan dan kedudukan transduser untuk memastikan semua kelebihan teknologi ultrasonik digunakan sepenuhnya dalam pengukuran aliran.