Tillämpning av ultraljudsteknik i intelligent flödesmätning

På den industriella marknaden spelar halvledarchipset en stor roll i omvandlingen av mekanisk utrustning till elektromekanisk eller rent elektronisk utrustning. Varje marknadssegment kan delas upp i många applikationer och tillverkare kommer att designa specifika produkter för varje applikation.

Ultraljud eller ultraljudsteknik har använts inom vissa civila, medicinska och militära områden i mer än 100 år. Nästan alla kommer att använda medicinsk ultraljudsteknik under sin livstid. Dess senaste tillämpningsfall är dock förverkligandet av automation inom industri- och bilindustrin. Vi är förvånade över att se att denna teknik har tagit sin plats i en rad verkligt olika tillämpningar. De icke-invasiva (icke-frätande) och beröringsfria egenskaperna hos ultraljudsteknik gör den idealisk för medicinska, farmaceutiska, militära och fabrikstillämpningar.

På industri- och bilmarknaderna kan ultraljudsteknik hittas för avståndsmätning, närvarodetektering, nivådetektering, sammansättningsanalys, mätning av flödeshastighet, parkeringshjälp, landningshjälp och hjälp vid öppning av bagageutrymmet. Ultraljudssensorer, även kända som ultraljudsgivare, kan arbeta utanför frekvenser som människor inte kan höra, och deras arbetsfrekvenser sträcker sig från 20 kHz till några megahertz.

De flesta ultraljudsgivare är gjorda av piezoelektriska material, och när elektriska pulser appliceras genereras mekaniska vibrationer eller ultraljudsvågor. Vissa givare kan också omvandla mekanisk vibration tillbaka till elektrisk energi. Givare är grovt indelade i tre typer:

Efter bearbetning av den mottagna elektriska signalen kan du få flera relevanta komponenter som är lämpliga för industri- eller fordonstillämpningar. En av de vanligaste och viktigaste komponenterna är ultraljudstid-of-flight (TOF), som hänvisar till tidsuppskattningen tur och retur av ultraljudsvågor som emitteras från ultraljudsflödesmätarens givare för flödesmätning till målobjektet och sedan reflekteras tillbaka från objektet till sensorn. Detta är grundprincipen för att använda ultraljudsteknik i smarta mätare för att mäta flödet av vatten, gas eller värme (oavsett om det är störande eller icke-påträngande), och presentera förbrukningsdata för konsumenterna för enkel fakturering.

Flödesmätning är kvantifieringen av vätske- eller gasflöde (volym eller hastighet). Måttenheten liknar liter/minut (eller sekunder eller timmar) eller kvadratmeter/sekund. Utbudet av flödesmätare är relativt brett, från enkla offentliga instrument för hushållsbruk (gas/vatten/värme) till industriella instrument eller blandare för farliga vätskor eller gaser (olja, gruvdrift, avloppsvattenrening, färger och kemikalier, etc.). Strukturellt innefattar flödesmätaren en sensorenhet, en mätenhet och en styr-/kommunikationsenhet, som var och en kan delas upp i mekanisk eller elektronisk. Figur 1 jämför de olika typerna av flödesmätares avkänningsteknologier som utgör sensorenheten. Ultraljudsflödesmätare har flera fördelar.

Figur 1: Jämförelse av vätske- eller gasflödesavkänningsmetoder

Ultraljudsflödesmätare som använder TOF eller ultraljud mäter flödet genom att beräkna tidsskillnaden (utbredningsfördröjning) för de sända och mottagna ultraljudssignalerna. För att tillämpa det på flödesmätning använder designers ett par identiska givare av transceivertyp för att excitera dem i uppströms respektive nedströms riktningar. När den utbreder sig i en riktning som överensstämmer med vätskeflödet, utbreder sig ultraljudsvågor snabbare, medan ultraljudsvågorna utbreder sig långsammare i en riktning motsatt vätskeflödet. Därför krävs minst ett par givare, men vissa topologier använder fler givare.

Figur 2 visar ett typiskt koncept för ultraljudsflödesdetektion, och placeringen av givaren i rörledningen kan väljas. Valet av ultraljudssensor beror på vilken typ av medium som kräver flödesmätning. I allmänhet använder vätskeavkänning sensorer med högre frekvenser i spektrumet (> 1 MHz), medan gasformiga medier använder sensorer med lägre frekvenser (<500 kHz). Dessutom kräver ultraljudstekniken som används för flödesmätning en direkt väg mellan två valfria givare, vilket kräver noggrann mekanisk konstruktion av vätskerörledningen som inrymmer givaren. Ultraljudsteknik fungerar inte i närvaro av bubblor, eftersom bubblor kan orsaka betydande dämpning av ultraljudssignalen.

Figur 2: Exempel på vanliga topologier för ultraljudsavkänning av flödesmätare och installationsplatser i rör
Figur 3 visar en generisk rörkonstruktion med givaren placerad i botten och reflekterande material för att säkerställa att ultraljudssignalen kan fortplanta sig mellan givarna (XDCR1 och XDCR2 i figuren).

Figur 3: Universalflödesrör med ett par givare installerade

Där Δt är TOF, c är hastigheten för ultraljudssignalen som utbreder sig i mediet i rörledningen, v är flödeshastigheten, L är utbredningslängden för rörledningen, T12 är utbredningstiden uppströms och T21 är utbredningstiden nedströms. Det finns flera sätt att bestämma TOF-information, men alla metoder måste kunna bearbeta utsignalen från transducern a.

Figur 4: Typiskt svar för en ultraljudsgivare när den är elektriskt exciterad.
Bearbetningen av denna vågform ger den information som behövs för att lösa ekvationerna 1 och 2. Det finns flera sätt att bearbeta vågformer, inklusive tid-till-digitalkonvertering (TDC), nollgenomgångsdetektering och vågformsfångst. Varje metod har fördelar och nackdelar.
 
Chipleverantörer använder olika arkitekturer för att lösa problem med ultraljudsflödesmätning. Vissa tillverkare använder diskreta analoga komponenter, följt av digitala processorer. Andra tillverkare har försökt integrera analoga komponenter i digitala processorer för att bilda en enchipslösning. I vågformsfångningsmetoden används en snabb analog krets för att fånga hela ultraljudssignalen, och sedan används en analog-till-digital-omvandlare för att omvandla den analoga signalen till en digital signal, och sedan kan den digitala signalbehandlingsalgoritmen erhålla TOF-information.
 
Chipleverantörer använder olika arkitekturer för att lösa problem med ultraljudsflödesmätning. Vissa tillverkare använder diskreta analoga komponenter av 100KHz ultraljudsgivare, följt av digitala processorer. Andra tillverkare har försökt integrera analoga komponenter i digitala processorer för att bilda en enchipslösning. I vågformsfångningsmetoden används en snabb analog krets för att fånga hela ultraljudssignalen, och sedan används en analog-till-digital-omvandlare för att omvandla den analoga signalen till en digital signal, och sedan kan den digitala signalbehandlingsalgoritmen erhålla TOF-information.
 
På grund av de tekniska förbättringarna av ultraljudsgivare, vilket gör dem billigare, mer exakta, mindre i storlek och allmänt förekommande, har ultraljudsteknik använts i stor utsträckning vid flödesmätning. Den avancerade integrerade analoga kretsen gör det lättare att fånga och bearbeta ultraljudsgivarens vågform i realtid, och på så sätt erhålla korrekt TOF-information. Dessutom är ultraljudsflödesmätaren mer exakt, mindre i storlek och har inga rörliga delar, vilket gör den till ett utmärkt val för tillverkare att byta ut mekaniska flödesmätare. Tillverkarna måste dock fortfarande noggrant förstå rörkonstruktionen och givarinstallationen och positioneringen för att säkerställa att alla fördelar med ultraljudsteknik utnyttjas fullt ut vid flödesmätning.