Toepassing van ultrasone technologie bij intelligente stroommeting

Op de industriële markt spelen halfgeleiderchipsets een grote rol bij de transformatie van mechanische apparatuur naar elektromechanische of puur elektronische apparatuur. Elk marktsegment kan worden opgesplitst in vele toepassingen, en fabrikanten zullen voor elke toepassing specifieke producten ontwerpen.

Echografie of ultrasone technologie wordt al meer dan 100 jaar op sommige civiele, medische en militaire gebieden gebruikt. Bijna iedereen zal in zijn leven medische echografietechnologie gebruiken. De meest recente toepassingscase is echter de realisatie van automatisering in de industriële en automobielsector. We zijn verrast om te zien dat deze technologie zijn plaats heeft ingenomen in een reeks werkelijk uiteenlopende toepassingen. De niet-invasieve (niet-corrosieve) en contactloze eigenschappen van ultrasone technologie maken het ideaal voor medische, farmaceutische, militaire en fabriekstoepassingen.

In de industriële en automobielmarkten is ultrasone technologie te vinden voor afstandsmeting, bezettingsdetectie, niveaudetectie, samenstellingsanalyse, debietmeting, parkeerhulp, landingshulp en hulp bij het openen van de kofferbak. Ultrasone sensoren, ook wel ultrasone transducers genoemd, kunnen werken buiten frequenties die mensen niet kunnen horen, en hun werkfrequenties variëren van 20 kHz tot enkele megahertz.

De meeste ultrasone transducers zijn gemaakt van piëzo-elektrische materialen en wanneer elektrische pulsen worden toegepast, worden mechanische trillingen of ultrasone golven gegenereerd. Sommige transducers kunnen mechanische trillingen ook weer omzetten in elektrische energie. Transducers zijn grofweg in drie typen te verdelen:

Na verwerking van het ontvangen elektrische signaal kunt u verschillende relevante componenten verkrijgen die geschikt zijn voor industriële of automobieltoepassingen. Een van de meest voorkomende en belangrijke componenten is ultrasone time-of-flight (TOF), wat verwijst naar de schatting van de retourtijd van ultrasone golven die worden uitgezonden door de ultrasone flowmeter-transducer voor flowmeting naar het doelobject en vervolgens worden teruggekaatst door het object naar de sensor. Dit is het basisprincipe van het gebruik van ultrasone technologie in slimme meters om de water-, gas- of verwarmingsstroom (al dan niet opdringerig) te meten en verbruiksgegevens aan consumenten te presenteren voor eenvoudige facturering.

Flowmeting is de kwantificering van de vloeistof- of gasstroom (volume of snelheid). De meeteenheid is vergelijkbaar met liters/minuut (of seconden of uren) of vierkante meter/seconde. Het aanbod aan flowmeters is relatief breed, van eenvoudige publieke instrumenten voor huishoudelijk gebruik (gas/water/verwarming) tot industriële instrumenten of mengers voor gevaarlijke vloeistoffen of gassen (olie, mijnbouw, afvalwaterzuivering, verf en chemicaliën etc.). Structureel omvat de flowmeter een sensoreenheid, een meeteenheid en een besturings-/communicatie-eenheid, die elk verder kunnen worden onderverdeeld in mechanisch of elektronisch. Figuur 1 vergelijkt de verschillende soorten flowmeterdetectietechnologieën waaruit de sensoreenheid bestaat. Ultrasone flowmeters hebben verschillende voordelen.

Figuur 1: Vergelijking van vloeistof- of gasstroomdetectiemethoden

Ultrasone flowmetertransducer die TOF of ultrasoon geluid gebruikt, meet de stroom door het tijdsverschil (voortplantingsvertraging) van de verzonden en ontvangen ultrasone signalen te berekenen. Om het toe te passen op stromingsmetingen, gebruiken ontwerpers een paar identieke transceiver-type transducers om ze respectievelijk in stroomopwaartse en stroomafwaartse richting te exciteren. Wanneer ze zich voortplanten in een richting die consistent is met de vloeistofstroom, planten ultrasone golven zich sneller voort, terwijl ultrasone golven zich in een richting tegengesteld aan de vloeistofstroom langzamer voortplanten. Daarom is ten minste één paar transducers vereist, maar sommige topologieën gebruiken meer transducers.

Figuur 2 toont een typisch concept van ultrasone stroomdetectie, en de plaatsing van de transducer in de pijpleiding kan worden geselecteerd. De keuze voor een ultrasone sensor hangt af van het type medium waarvoor debietmeting nodig is. Over het algemeen maakt vloeistofdetectie gebruik van sensoren met hogere frequenties in het spectrum (> 1 MHz), terwijl gasvormige media sensoren gebruiken met lagere frequenties (<500 kHz). Bovendien vereist de ultrasone technologie die wordt gebruikt voor stroommeting een direct pad tussen twee willekeurige transducers, wat een zorgvuldig mechanisch constructieontwerp vereist van de vloeistofpijpleiding waarin de transducer is ondergebracht. Ultrasone technologie werkt niet in de aanwezigheid van bellen, omdat bellen een aanzienlijke verzwakking van het ultrasone signaal kunnen veroorzaken.

Figuur 2: Voorbeelden van algemene topologieën voor ultrasone detectie van debietmeters en installatielocaties in leidingen.
Figuur 3 toont een algemeen leidingontwerp waarbij de transducer aan de onderkant is geplaatst en reflecterend materiaal om ervoor te zorgen dat het ultrasone signaal zich tussen de transducers kan voortplanten (XDCR1 en XDCR2 in de afbeelding).

Figuur 3: Universele stroombuis met een paar transducers geïnstalleerd

Waar Δt TOF is, is c de snelheid van het ultrasone signaal dat zich voortplant in het medium in de pijpleiding, v is de stroomsnelheid, L is de voortplantingslengte van de pijpleiding, T12 is de voortplantingstijd stroomopwaarts en T21 is de voortplantingstijd stroomafwaarts. Er zijn verschillende manieren om TOF-informatie te bepalen, maar alle methoden moeten de uitvoer van de transducer kunnen verwerken. Figuur 4 toont een typische uitvoer.

Figuur 4: Typische reactie van een ultrasone transducer wanneer deze elektrisch wordt opgewonden.
De verwerking van deze golfvorm levert de informatie op die nodig is om vergelijkingen 1 en 2 op te lossen. Er zijn verschillende manieren om golfvormen te verwerken, waaronder tijd-naar-digitaal-conversie (TDC), nuldoorgangsdetectie en golfvormregistratie. Elke methode heeft voor- en nadelen.
 
Chipleveranciers gebruiken verschillende architecturen om problemen met ultrasone stroommetingen op te lossen. Sommige fabrikanten gebruiken discrete analoge componenten, gevolgd door digitale processors. Andere fabrikanten hebben geprobeerd analoge componenten in digitale processors te integreren om zo een oplossing met één chip te vormen. Bij de golfvormregistratiemethode wordt een snel analoog circuit gebruikt om het gehele ultrasone signaal op te vangen, en vervolgens wordt een analoog-naar-digitaal-omzetter gebruikt om het analoge signaal naar een digitaal signaal om te zetten, en vervolgens kan het digitale signaalverwerkingsalgoritme TOF-informatie verkrijgen.
 
Chipleveranciers gebruiken verschillende architecturen om problemen met ultrasone stroommetingen op te lossen. Sommige fabrikanten gebruiken discrete analoge componenten van een ultrasone transducer van 100 kHz, gevolgd door digitale processors. Andere fabrikanten hebben geprobeerd analoge componenten in digitale processors te integreren om zo een oplossing met één chip te vormen. Bij de golfvormregistratiemethode wordt een snel analoog circuit gebruikt om het gehele ultrasone signaal op te vangen, en vervolgens wordt een analoog-naar-digitaal-omzetter gebruikt om het analoge signaal naar een digitaal signaal om te zetten, en vervolgens kan het digitale signaalverwerkingsalgoritme TOF-informatie verkrijgen.
 
Vanwege de technische verbeteringen van ultrasone transducers, waardoor ze goedkoper, nauwkeuriger, kleiner van formaat en alomtegenwoordig zijn, wordt ultrasone technologie op grote schaal gebruikt bij flowmeting. Het geavanceerde geïntegreerde analoge circuit maakt het gemakkelijker om de ultrasone transducergolfvorm in realtime vast te leggen en te verwerken, waardoor nauwkeurige TOF-informatie wordt verkregen. Bovendien is de ultrasone flowmeter nauwkeuriger, kleiner van formaat en heeft hij geen bewegende delen, waardoor het een uitstekende keuze is voor fabrikanten om mechanische flowmeters te vervangen. Fabrikanten moeten echter nog steeds het leidingontwerp en de installatie en positionering van de transducer zorgvuldig begrijpen om ervoor te zorgen dat alle voordelen van ultrasone technologie volledig worden benut bij debietmeting.