Anvendelse av ultralydteknologi i intelligent strømningsmåling

I det industrielle markedet spiller halvlederbrikkesett en stor rolle i transformasjonen av mekanisk utstyr til elektromekanisk eller rent elektronisk utstyr. Hvert markedssegment kan deles inn i mange applikasjoner, og produsenter vil designe spesifikke produkter for hver applikasjon.

Ultralyd eller ultralydteknologi har blitt brukt i noen sivile, medisinske og militære felt i mer enn 100 år. Nesten alle vil bruke medisinsk ultralydteknologi i løpet av livet. Den siste søknadssaken er imidlertid realiseringen av automasjon i industri- og bilbransjen. Vi er overrasket over å se at denne teknologien har tatt sin plass i en rekke virkelig forskjellige applikasjoner. De ikke-invasive (ikke-korrosive) og ikke-kontaktegenskapene til ultralydteknologi gjør den ideell for medisinske, farmasøytiske, militære og fabrikkapplikasjoner.

I industri- og bilmarkedet kan ultralydteknologi finnes for avstandsmåling, beleggsdeteksjon, nivådeteksjon, sammensetningsanalyse, strømningshastighetsmåling, parkeringsassistanse, landingsassistanse og bagasjeromsåpningsassistanse. Ultralydsensorer, også kjent som ultralydsvingere, kan operere utenfor frekvenser som mennesker ikke kan høre, og deres driftsfrekvenser varierer fra 20 kHz til noen få megahertz.

De fleste ultralydtransdusere er laget av piezoelektriske materialer, og når elektriske pulser påføres, genereres mekaniske vibrasjoner eller ultralydbølger. Noen svingere kan også konvertere mekanisk vibrasjon tilbake til elektrisk energi. Transdusere er grovt sett delt inn i tre typer:

Etter å ha behandlet det mottatte elektriske signalet, kan du få flere relevante komponenter som er egnet for industri- eller bilapplikasjoner. En av de vanligste og mest viktige komponentene er ultralydtid-av-flight (TOF), som refererer til tur-retur-tidsestimatet av ultralydbølger som sendes ut fra ultralydstrømningsmålerens transduser for strømningsmåling til målobjektet og deretter reflektert tilbake fra objektet til sensoren. Dette er det grunnleggende prinsippet for å bruke ultralydteknologi i smarte målere for å måle strømmen av vann, gass eller varme (enten påtrengende eller ikke-påtrengende), og presentere forbruksdata til forbrukere for enkel fakturering.

Strømningsmåling er kvantifisering av væske- eller gassstrøm (volum eller hastighet). Måleenheten er lik liter / minutt (eller sekunder eller timer) eller kvadratmeter / sekund. Utvalget av strømningsmålere er relativt bredt, fra enkle offentlige instrumenter for husholdningsbruk (gass / vann / oppvarming) til industrielle instrumenter eller miksere for farlige væsker eller gasser (olje, gruvedrift, avløpsvannbehandling, maling og kjemikalier, etc.). Strukturelt inkluderer strømningsmåleren en sensorenhet, en måleenhet og en kontroll-/kommunikasjonsenhet, som hver kan deles inn i mekanisk eller elektronisk. Figur 1 sammenligner de forskjellige typene flowmåler-sensorteknologier som utgjør sensorenheten. Ultralydstrømningsmålere har flere fordeler.

Figur 1: Sammenligning av væske- eller gassstrømmålingsmetoder

Ultralydstrømningsmåler-transduser som bruker TOF eller ultralyd, måler strømning ved å beregne tidsforskjellen (utbredelsesforsinkelse) til de sendte og mottatte ultralydsignalene. For å bruke det til strømningsmåling, bruker designere et par identiske transdusere av transceiver-typen for å begeistre dem i henholdsvis oppstrøms- og nedstrømsretninger. Når den forplanter seg i en retning som er forenlig med væskestrøm, forplanter ultralydbølger seg raskere, mens ultralydbølger forplanter seg langsommere i en retning motsatt væskestrøm. Derfor kreves det minst ett par transdusere, men noen topologier bruker flere transdusere.

Figur 2 viser et typisk konsept for ultralydstrømdeteksjon, og plasseringen av transduseren i rørledningen kan velges. Valget av ultralydsensor avhenger av typen medium som krever strømningshastighetsmåling. Vanligvis bruker væskesensing sensorer med høyere frekvenser i spekteret (> 1 MHz), mens gassformige medier bruker sensorer med lavere frekvenser (<500 kHz). I tillegg krever ultralydteknologien som brukes for strømningsmåling en direkte vei mellom to av svingerne, noe som krever nøye mekanisk konstruksjonsdesign av væskerørledningen som huser transduseren. Ultralydteknologi fungerer ikke i nærvær av bobler, fordi bobler kan forårsake betydelig demping av ultralydsignalet.

Figur 2: Eksempler på vanlige topologier for ultralydføling av strømningsmålere og installasjonsplasseringer i rør
Figur 3 viser en generisk rørdesign med transduseren plassert i bunnen og reflekterende materiale for å sikre at ultralydsignalet kan forplante seg mellom transduserne (XDCR1 og XDCR2 i figuren).

Figur 3: Universelt strømningsrør med et par transdusere installert

Der Δt er TOF, c er hastigheten til ultralydsignalet som forplanter seg i mediet i rørledningen, v er strømningshastigheten, L er forplantningslengden til rørledningen, T12 er forplantningstiden oppstrøms, og T21 er forplantningstiden nedstrøms. Det er flere måter å bestemme TOF-informasjon på, men alle metoder må kunne behandle utgangen til transduseren a.

Figur 4: Typisk respons fra en ultralydsvinger når den er elektrisk begeistret
Behandlingen av denne bølgeformen gir informasjonen som trengs for å løse ligning 1 og 2. Det er flere måter å behandle bølgeformer på, inkludert tid-til-digital konvertering (TDC), nullkryssdeteksjon og bølgeformfangst. Hver metode har fordeler og ulemper.
 
Chipleverandører bruker forskjellige arkitekturer for å løse problemer med ultralydstrømmåling. Noen produsenter bruker diskrete analoge komponenter, etterfulgt av digitale prosessorer. Andre produsenter har forsøkt å integrere analoge komponenter i digitale prosessorer for å danne en enkeltbrikkeløsning. I bølgeformfangstmetoden brukes en rask analog krets for å fange opp hele ultralydsignalet, og deretter brukes en analog-til-digital-omformer for å konvertere det analoge signalet til et digitalt signal, og deretter kan den digitale signalbehandlingsalgoritmen innhente TOF-informasjon.
 
Chipleverandører bruker forskjellige arkitekturer for å løse problemer med ultralydstrømmåling. Noen produsenter bruker diskrete analoge komponenter av 100KHz ultralydsvinger, etterfulgt av digitale prosessorer. Andre produsenter har forsøkt å integrere analoge komponenter i digitale prosessorer for å danne en enkeltbrikkeløsning. I bølgeformfangstmetoden brukes en rask analog krets for å fange opp hele ultralydsignalet, og deretter brukes en analog-til-digital-omformer for å konvertere det analoge signalet til et digitalt signal, og deretter kan den digitale signalbehandlingsalgoritmen innhente TOF-informasjon.
 
På grunn av de tekniske forbedringene til ultralydtransdusere, som gjør dem billigere, mer nøyaktige, mindre i størrelse og allestedsnærværende, har ultralydteknologi blitt mye brukt i strømningsmåling. Den avanserte integrerte analoge kretsen gjør det enklere å fange opp og behandle ultralydtransduserens bølgeform i sanntid, og dermed oppnå nøyaktig TOF-informasjon. I tillegg er ultralydstrømningsmåleren mer nøyaktig, mindre i størrelse og har ingen bevegelige deler, noe som gjør det til et utmerket valg for produsenter å erstatte mekaniske strømningsmålere. Imidlertid må produsentene fortsatt nøye forstå rørdesignet og transduserens installasjon og plassering for å sikre at alle fordelene ved ultralydteknologi utnyttes fullt ut i strømningsmåling.