Zastosowanie technologii ultradźwiękowej w inteligentnym pomiarze przepływu

Na rynku przemysłowym chipsety półprzewodnikowe odgrywają ogromną rolę w transformacji sprzętu mechanicznego w sprzęt elektromechaniczny lub czysto elektroniczny. Każdy segment rynku można podzielić na wiele zastosowań, a producenci zaprojektują konkretne produkty dla każdego zastosowania.

Technologia ultradźwiękowa lub ultradźwiękowa jest stosowana w niektórych dziedzinach cywilnych, medycznych i wojskowych od ponad 100 lat. Prawie każdy w swoim życiu będzie korzystał z technologii ultrasonografii medycznej. Jednak najnowszym przypadkiem zastosowania jest realizacja automatyzacji w przemyśle i motoryzacji. Jesteśmy zaskoczeni, że technologia ta znalazła swoje miejsce w szeregu naprawdę różnorodnych zastosowań. Nieinwazyjne (niekorozyjne) i bezkontaktowe właściwości technologii ultradźwiękowej sprawiają, że idealnie nadaje się ona do zastosowań medycznych, farmaceutycznych, wojskowych i fabrycznych.

Na rynku przemysłowym i motoryzacyjnym technologię ultradźwiękową można znaleźć do pomiaru odległości, wykrywania zajętości, wykrywania poziomu, analizy składu, pomiaru natężenia przepływu, wspomagania parkowania, wspomagania lądowania i otwierania bagażnika. Czujniki ultradźwiękowe, zwane również przetwornikami ultradźwiękowymi, mogą działać poza częstotliwościami, których człowiek nie słyszy, a ich częstotliwości robocze mieszczą się w zakresie od 20 kHz do kilku megaherców.

Większość przetworników ultradźwiękowych jest wykonana z materiałów piezoelektrycznych, a po zastosowaniu impulsów elektrycznych generowane są wibracje mechaniczne lub fale ultradźwiękowe. Niektóre przetworniki mogą również przekształcać wibracje mechaniczne z powrotem w energię elektryczną. Przetworniki są z grubsza podzielone na trzy typy:

Po przetworzeniu otrzymanego sygnału elektrycznego można uzyskać kilka odpowiednich komponentów nadających się do zastosowań przemysłowych lub motoryzacyjnych. Jednym z najbardziej powszechnych i ważnych elementów jest ultradźwiękowy czas przelotu (TOF), który odnosi się do oszacowania czasu podróży w obie strony fal ultradźwiękowych emitowanych z przetwornika przepływomierza ultradźwiękowego w celu pomiaru przepływu do obiektu docelowego, a następnie odbitego z powrotem od obiektu do czujnika. Jest to podstawowa zasada stosowania technologii ultradźwiękowej w inteligentnych licznikach do pomiaru przepływu wody, gazu lub ogrzewania (inwazyjnego lub nieinwazyjnego) i przedstawiania konsumentom danych o zużyciu w celu ułatwienia rozliczeń.

Pomiar przepływu to ilościowe określenie przepływu cieczy lub gazu (objętości lub prędkości). Jednostka miary jest podobna do litrów/minuty (lub sekund lub godzin) lub metrów kwadratowych/sekundę. Asortyment przepływomierzy jest stosunkowo szeroki, od prostych przyrządów użyteczności publicznej do użytku domowego (gaz/woda/ogrzewanie) po przyrządy przemysłowe lub mieszalniki do niebezpiecznych cieczy lub gazów (ropa naftowa, górnictwo, oczyszczanie ścieków, farby i chemikalia itp.). Strukturalnie przepływomierz składa się z jednostki czujnikowej, jednostki pomiarowej i jednostki sterującej/komunikacyjnej, z których każdą można dalej podzielić na mechaniczną lub elektroniczną. Rysunek 1 porównuje różne typy technologii wykrywania przepływomierzy, z których składa się jednostka czujnika. Przepływomierze ultradźwiękowe mają kilka zalet.

Rysunek 1: Porównanie metod wykrywania przepływu cieczy lub gazu

Przetwornik ultradźwiękowy wykorzystujący TOF lub ultradźwiękowy mierzy przepływ poprzez obliczenie różnicy czasu (opóźnienia propagacji) przesyłanych i odbieranych sygnałów ultradźwiękowych. Aby zastosować go do pomiaru przepływu, projektanci używają pary identycznych przetworników typu nadawczo-odbiorczego, aby wzbudzić je odpowiednio w kierunku w górę i w dół. Fale ultradźwiękowe rozchodzące się w kierunku zgodnym z przepływem płynu rozchodzą się szybciej, natomiast w kierunku przeciwnym do przepływu płynu fale ultradźwiękowe rozchodzą się wolniej. Dlatego wymagana jest co najmniej jedna para przetworników, ale w niektórych topologiach wykorzystuje się więcej przetworników.

Rysunek 2 przedstawia typową koncepcję ultradźwiękowej detekcji przepływu, z możliwością wyboru miejsca umieszczenia przetwornika w rurociągu. Wybór czujnika ultradźwiękowego zależy od rodzaju medium, które wymaga pomiaru natężenia przepływu. Ogólnie rzecz biorąc, wykrywanie cieczy wykorzystuje czujniki o wyższych częstotliwościach widma (> 1 MHz), podczas gdy media gazowe wykorzystują czujniki o niższych częstotliwościach (<500 kHz). Ponadto technologia ultradźwiękowa stosowana do pomiaru przepływu wymaga bezpośredniej ścieżki pomiędzy dowolnymi dwoma przetwornikami, co wymaga starannego projektu konstrukcji mechanicznej rurociągu płynu, w którym znajduje się przetwornik. Technologia ultradźwiękowa nie działa w obecności pęcherzyków, ponieważ pęcherzyki mogą powodować znaczne tłumienie sygnału ultradźwiękowego.

Rysunek 2: Przykłady typowych topologii ultradźwiękowego wykrywania przepływomierzy i miejsc instalacji w rurach
Rysunek 3 przedstawia ogólny projekt rurociągu z przetwornikiem umieszczonym na dole i materiałem odblaskowym zapewniającym propagację sygnału ultradźwiękowego pomiędzy przetwornikami (XDCR1 i XDCR2 na rysunku).

Rysunek 3: Uniwersalna rura przepływowa z zainstalowaną parą przetworników

Gdzie Δt to TOF, c to prędkość sygnału ultradźwiękowego rozchodzącego się w ośrodku w rurociągu, v to prędkość przepływu, L to długość propagacji rurociągu, T12 to czas propagacji w górę, a T21 to czas propagacji w dół. Istnieje kilka sposobów określenia informacji TOF, ale wszystkie metody muszą umożliwiać przetwarzanie sygnału wyjściowego przetwornika. Rysunek 4 przedstawia typowy sygnał wyjściowy.

Rysunek 4: Typowa reakcja przetwornika ultradźwiękowego, gdy jest on wzbudzony elektrycznie.
Przetwarzanie tego kształtu fali dostarcza informacji potrzebnych do rozwiązania równań 1 i 2. Istnieje kilka sposobów przetwarzania przebiegów, w tym konwersja czasu do postaci cyfrowej (TDC), wykrywanie przejścia przez zero i przechwytywanie kształtu fali. Każda metoda ma zalety i wady.
 
Dostawcy chipów wykorzystują różne architektury do rozwiązywania problemów związanych z ultradźwiękowym pomiarem przepływu. Niektórzy producenci stosują dyskretne komponenty analogowe, a następnie procesory cyfrowe. Inni producenci próbowali zintegrować komponenty analogowe z procesorami cyfrowymi, tworząc rozwiązanie jednoukładowe. W metodzie przechwytywania przebiegu wykorzystuje się szybki obwód analogowy do przechwytywania całego sygnału ultradźwiękowego, a następnie stosuje się przetwornik analogowo-cyfrowy do konwersji sygnału analogowego na sygnał cyfrowy, a następnie algorytm cyfrowego przetwarzania sygnału może uzyskać informację TOF.
 
Dostawcy chipów wykorzystują różne architektury do rozwiązywania problemów związanych z ultradźwiękowym pomiarem przepływu. Niektórzy producenci stosują dyskretne komponenty analogowe przetwornika ultradźwiękowego 100 kHz, a następnie procesory cyfrowe. Inni producenci próbowali zintegrować komponenty analogowe z procesorami cyfrowymi, tworząc rozwiązanie jednoukładowe. W metodzie przechwytywania przebiegu wykorzystuje się szybki obwód analogowy do przechwytywania całego sygnału ultradźwiękowego, a następnie stosuje się przetwornik analogowo-cyfrowy do konwersji sygnału analogowego na sygnał cyfrowy, a następnie algorytm cyfrowego przetwarzania sygnału może uzyskać informację TOF.
 
Ze względu na udoskonalenia techniczne przetworników ultradźwiękowych, dzięki którym stają się one tańsze, dokładniejsze, mniejsze i wszechobecne, technologia ultradźwiękowa jest szeroko stosowana w pomiarach przepływu. Zaawansowany zintegrowany obwód analogowy ułatwia przechwytywanie i przetwarzanie przebiegu fali przetwornika ultradźwiękowego w czasie rzeczywistym, uzyskując w ten sposób dokładne informacje TOF. Ponadto przepływomierz ultradźwiękowy jest dokładniejszy, mniejszy i nie zawiera ruchomych części, co czyni go doskonałym wyborem dla producentów w celu zastąpienia przepływomierzy mechanicznych. Jednak producenci nadal muszą dokładnie poznać projekt rurociągu oraz instalację i umiejscowienie przetwornika, aby mieć pewność, że wszystkie zalety technologii ultradźwiękowej zostaną w pełni wykorzystane w pomiarze przepływu.