Застосування ультразвукової технології в інтелектуальному вимірюванні витрати

Перегляди: 3 Автор: Редактор сайту Час публікації: 2020-05-25 Походження: Сайт

Запитуйте

8A)%A%UE(Y1DAXET7VZC

Завдяки вдосконаленню технології ультразвукових перетворювачів вони дешевші, точніші, менші за розміром і їх можна купити скрізь, тому ультразвукова технологія широко використовується для вимірювання потоку. Удосконалена інтегрована аналогова схема полегшує захоплення та обробку хвилі ультразвукового перетворювача в режимі реального часу, отримуючи таким чином точну інформацію про TOF. Крім того, ультразвуковий витратомір більш точний, менший за розміром і не має рухомих частин, що робить його чудовим вибором для виробників замість механічних витратомірів. Однак виробникам все ще потрібно ретельно розуміти конструкцію трубопроводів, установку та розташування перетворювача, щоб гарантувати повне використання всіх переваг ультразвукової технології під час вимірювання витрати.

На промисловому ринку напівпровідникові чіпсети відіграють величезну роль у перетворенні механічного обладнання на електромеханічне або суто електронне обладнання. Кожен сегмент ринку можна розбити на багато застосувань, і виробники розроблятимуть окремі продукти для кожного застосування.

Технологічний прогрес у будь-якій галузі застосування зазвичай включає деякі незначні досягнення. Ці технологічні досягнення або безперервні, або відбуваються одночасно. Наприклад, автоматизація програми зазвичай вимагає визначення одного або кількох параметрів і подальшої їх обробки, що зрештою призведе до контролю та зв’язку. Технологічно вдосконалені датчики можуть покращити деякі специфікації параметрів, наприклад вищу продуктивність, менший розмір, нижче енергоспоживання та вартість, а також вищу загальну ефективність роботи. Подібні технологічні вдосконалення в обробці, типах керування та зв’язку із зовнішнім світом ще більше підвищать ці специфікації параметрів.

Щоб зробити енергомережу ефективнішою, міцнішою та безпечнішою, а також адаптуватись до потреб модернізації, зусилля в цій сфері значно збільшать використання електронного обладнання, що створить можливості для інновацій, збільшення функціональності та зменшення розміру та вартості. Рух за енергозбереження вимагає інтеграції традиційних електромереж і розподілених електромереж для формування взаємопов’язаних електромереж. Інтелектуальні лічильники є невід'ємною частиною сфери електроенергії та енергетики. Загальна вартість цього сегменту напівпровідників становить понад 2 мільярди доларів США на рік. Розумні лічильники також поділяються на електролічильники, лічильники води, лічильники газу та лічильники опалення.

Ультразвук або ультразвукова технологія використовується в деяких цивільних, медичних і військових сферах більше 100 років. Майже кожна людина буде користуватися медичною ультразвуковою технологією протягом свого життя. Однак останнім випадком його застосування є реалізація автоматизації в промисловості та автомобільній галузі. Ми з подивом побачили, що ця технологія зайняла своє місце в серії справді різноманітних застосувань. Неінвазивні (не корозійні) і безконтактні характеристики ультразвукової технології роблять її ідеальною для медичних, фармацевтичних, військових і промислових застосувань.

На промисловому та автомобільному ринках можна знайти ультразвукову технологію для вимірювання відстані, виявлення зайнятості, визначення рівня, аналізу складу, вимірювання швидкості потоку, допомоги при паркуванні, допомоги при посадці та допомоги при відкритті багажника. Ультразвукові датчики, також відомі як ультразвукові перетворювачі, можуть працювати за межами частот, які люди не чують, і їх робочі частоти коливаються від 20 кГц до кількох мегагерц.

Більшість ультразвукових перетворювачів виготовлено з п’єзоелектричних матеріалів, і коли подаються електричні імпульси, генеруються механічні коливання або ультразвукові хвилі. Деякі перетворювачі також можуть перетворювати механічну вібрацію назад в електричну енергію. Перетворювачі умовно діляться на три види:

• Передавач перетворює електричні сигнали в ультразвук.
• Приймач перетворює ультразвукові хвилі в електричні сигнали.
• Трансивер може надсилати та приймати ультразвукові хвилі.

Після обробки отриманого електричного сигналу можна отримати кілька відповідних компонентів, придатних для промислового або автомобільного застосування. Одним із найпоширеніших і важливих компонентів є ультразвуковий час прольоту (TOF), який відноситься до оцінки часу проходження ультразвукових хвиль, що випромінюються від датчика ультразвукового витратоміра для вимірювання потоку до цільового об’єкта, а потім відбиваються назад від об’єкта до датчика. Це основний принцип використання ультразвукової технології в інтелектуальних лічильниках для вимірювання витрати води, газу чи опалення (інтрузивного чи неінтрузивного) і надання даних про споживання споживачам для легкого виставлення рахунків.

Вимірювання потоку — це кількісне визначення потоку рідини або газу (об’єм або швидкість). Одиниця вимірювання подібна до літрів на хвилину (або секунд або годин) або квадратних метрів на секунду. Діапазон витратомірів відносно широкий, від простих громадських приладів для побутового використання (газ / вода / опалення) до промислових приладів або змішувачів для небезпечних рідин або газів (нафта, гірнича промисловість, очищення стічних вод, фарби та хімікати тощо). Конструктивно витратомір включає в себе блок датчика, блок вимірювання і блок управління / зв'язку, кожен з яких можна додатково розділити на механічний або електронний. На малюнку 1 порівнюються різні типи датчиків витратомірів, які складають сенсорний блок. Ультразвукові витратоміри мають ряд переваг.

EDEAK%%5UK`KPNUW`J96

Рисунок 1: Порівняння методів вимірювання потоку рідини чи газу

Ультразвуковий перетворювач витратоміра за допомогою TOF або ультразвуку вимірює потік шляхом обчислення різниці в часі (затримки поширення) переданого та прийнятого ультразвукових сигналів. Щоб застосувати його для вимірювання потоку, розробники використовують пару ідентичних перетворювачів трансивера, щоб збудити їх у верхньому та нижньому напрямках відповідно. Коли ультразвукові хвилі поширюються в напрямку, що відповідає потоку рідини, вони поширюються швидше, тоді як у напрямку, протилежному потоку рідини, ультразвукові хвилі поширюються повільніше. Тому потрібна принаймні одна пара перетворювачів, але деякі топології використовують більше перетворювачів.

На малюнку 2 показано типову концепцію ультразвукового виявлення потоку, і можна вибрати розміщення перетворювача в трубопроводі. Вибір ультразвукового датчика залежить від типу середовища, яке вимагає вимірювання швидкості потоку. Як правило, для вимірювання рідини використовуються датчики з вищими частотами в спектрі (> 1 МГц), тоді як для газоподібних середовищ використовуються датчики з нижчими частотами (<500 кГц). Крім того, ультразвукова технологія, яка використовується для вимірювання потоку, вимагає прямого шляху між будь-якими двома перетворювачами, що вимагає ретельної механічної конструкції трубопроводу для рідини, у якому розміщено перетворювач. Ультразвукова технологія не працює за наявності бульбашок, оскільки бульбашки можуть спричинити значне ослаблення ультразвукового сигналу.

9_1I36W767W1IRCUDRY7

Рисунок 2: Приклади загальних топологій для ультразвукового вимірювання витратомірів і місць встановлення в трубах.
На малюнку 3 показано загальну конструкцію трубопроводу з датчиком, розміщеним у нижній частині, і відбиваючим матеріалом для забезпечення поширення ультразвукового сигналу між перетворювачами (XDCR1 і XDCR2 на малюнку).

47`VLSVROISLG_BS

Рисунок 3: Універсальна витратомірна трубка з парою встановлених перетворювачів

Де Δt — TOF, c — швидкість ультразвукового сигналу, що поширюється в середовищі в трубопроводі, v — швидкість потоку, L — довжина розповсюдження трубопроводу, T12 — час розповсюдження вгорі, а T21 — час розповсюдження вниз за течією. Існує кілька способів визначення інформації про TOF, але всі методи повинні мати можливість обробляти вихідні дані датчика. На рисунку 4 показано типовий вихід.

U1E0TJT_M4TFX(_J(J

Рисунок 4: Типовий відгук ультразвукового перетворювача, коли він електрично збуджений.
Обробка цієї форми сигналу надає інформацію, необхідну для розв’язання рівнянь 1 і 2. Існує кілька способів обробки сигналів, включаючи час-цифрове перетворення (TDC), виявлення перетину нуля та захоплення форми сигналу. Кожен метод має переваги та недоліки.

Постачальники мікросхем використовують різні архітектури для вирішення задач ультразвукового вимірювання потоку. Деякі виробники використовують дискретні аналогові компоненти, а потім цифрові процесори. Інші виробники намагалися інтегрувати аналогові компоненти в цифрові процесори для створення однокристального рішення. У методі захоплення форми сигналу швидка аналогова схема використовується для захоплення всього ультразвукового сигналу, а потім аналого-цифровий перетворювач використовується для перетворення аналогового сигналу в цифровий сигнал, а потім алгоритм обробки цифрового сигналу може отримати інформацію TOF.

Постачальники мікросхем використовують різні архітектури для вирішення задач ультразвукового вимірювання потоку. Деякі виробники використовують дискретні аналогові компоненти ультразвукового перетворювача 100 кГц, а потім цифрові процесори. Інші виробники намагалися інтегрувати аналогові компоненти в цифрові процесори для створення однокристального рішення. У методі захоплення форми сигналу швидка аналогова схема використовується для захоплення всього ультразвукового сигналу, а потім аналого-цифровий перетворювач використовується для перетворення аналогового сигналу в цифровий сигнал, а потім алгоритм обробки цифрового сигналу може отримати інформацію TOF.

Завдяки технічним удосконаленням ультразвукових перетворювачів, що робить їх дешевшими, точнішими, меншими за розміром і повсюдним, ультразвукова технологія широко використовується для вимірювання витрати. Удосконалена інтегрована аналогова схема полегшує захоплення та обробку хвилі ультразвукового перетворювача в режимі реального часу, отримуючи таким чином точну інформацію про TOF. Крім того, ультразвуковий витратомір більш точний, менший за розміром і не має рухомих частин, що робить його чудовим вибором для виробників замість механічних витратомірів. Однак виробникам все ще потрібно ретельно розуміти конструкцію трубопроводів, установку та розташування перетворювача, щоб гарантувати повне використання всіх переваг ультразвукової технології під час вимірювання витрати.