Podstawy stosowania przetworników ultradźwiękowych do wykrywania obiektów lub pomiaru przepływu płynów

Internet rzeczy (IoT) i rosnąca rola sztucznej inteligencji (AI) w środowisku brzegowym sieci zwiększyły zainteresowanie tworzeniem bardziej inteligentnych i świadomych otoczenia rozwiązań. W rezultacie projektanci muszą rozważyć odpowiednie opcje wykrywania, z których wiele może opierać się na dobrze znanych technologiach, aby uniknąć złożoności. Na przykład do wykrywania obecności pobliskich obiektów, a nawet ustalania odległości od nich, a także do pomiaru natężenia przepływu płynów powszechnie stosowana jest energia ultradźwiękowa.

Zaletą ultradźwięków jest to, że są one stosunkowo łatwe do zastosowania, dokładne, charakteryzują się korzystnymi współczynnikami bezpieczeństwa (czy też ryzyka), nie wiążą się z żadnymi ograniczeniami nakładanymi przepisami i pozwalają uniknąć przydziału widma częstotliwości radiowych (RF), a także problemów wynikających z zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI).

Jest to dobrze ugruntowana metodologia, jednak aby w pełni wykorzystać zalety czujników ultradźwiękowych, projektanci muszą dobrze zrozumieć zasady ich działania, dostępne komponenty i związane z nimi wymagania dotyczące obwodów. Muszą również rozważyć kwestie architektury - na przykład czy należy użyć oddzielnych nadajników i odbiorników - co pozwoli na umieszczenie każdego z nich w różnych lokalizacjach - czy też użyć jednego połączonego nadajniko-odbiornika. Wreszcie, muszą oni zadbać o odpowiedni sterownik elektroniczny i odbiornik, który może działać z częstotliwością optymalną dla wykrywania/detekcji położenia i pomiaru przepływu płynów.

Niniejszy artykuł stanowi podstawowe wprowadzenie do przetworników ultradźwiękowych i ich zastosowania w detekcji obiektów i pomiarze przepływu. Zaprezentowano przykładowe rzeczywiste urządzenia ultradźwiękowe firmy PUI Audio, a na potrzeby prac rozwojowych opisano odpowiedni układ scalony sterownika i powiązany zestaw rozwojowy.

Prosta zasada wzorowana na przyrodzie

Detekcja ultradźwiękowa stanowi zaawansowane zastosowanie podstawowej zasady echolokacji wykorzystywanej przez zwierzęta, takie jak delfiny i nietoperze (ilustracja 1).

Ilustracja 1: elektroniczna detekcja akustyczna i wykrywanie pozycji mają swoje korzenie w echolokacji, która jest skutecznie wykorzystywana przez żywe stworzenia, takie jak nietoperze. (Źródło ilustracji: Wikipedia)

Podczas pracy generowane są krótkie impulsy energii akustycznej przez przetwornik, który zazwyczaj jest urządzeniem piezoelektrycznym. Po zakończeniu impulsu układ przełącza się w tryb odbioru i oczekuje na odbicie (echo) tego impulsu. Gdy nadawana energia akustyczna napotyka na przejście lub nieciągłość impedancji, na przykład między powietrzem a ciałem stałym, część tej energii jest odbijana i może zostać wykryta, zwykle przez urządzenie piezoelektryczne.

Impedancja akustyczna opiera się na gęstości danego materiału i prędkości dźwięku w tym materiale, przy czym ważne jest, aby określić stopień odbicia na granicy dwóch materiałów o różnych impedancjach akustycznych.

Odsetek odbijanej energii jest funkcją typu materiału i jego współczynnika absorpcji, a także różnicy impedancji na granicy między materiałami. Twarde materiały, takie jak kamień, cegła lub metal, odbijają lepiej niż miękkie materiały, takie jak tkaniny lub poduszki.

Impedancja akustyczna powietrza jest o cztery rzędy wielkości mniejsza niż impedancja większości cieczy lub ciał stałych. W rezultacie większość energii ultradźwiękowej jest odbijana do przetwornika w wyniku dużej różnicy współczynników odbicia. Akustyczny przekrój poprzeczny jest miarą analogiczną do przekroju radarowego i jest zależny od materiału oraz rozmiaru obiektu docelowego.

Taka detekcja i pomiar odległości przypominają efekt napotkania przez energię radiową radaru lub energię optyczną w przypadku technologii LiDAR nieciągłości impedancji, gdzie a część energii jest odbijana z powrotem do źródła. Ogólna koncepcja jest taka sama, jednak istnieje duża różnica: energia ultradźwiękowa nie jest energią elektromagnetyczną. Korzystanie z tego widma częstotliwości nie jest regulowane przepisami i ma bardzo niewiele ograniczeń. Jednym z istotnych ograniczeń jest nadmierny poziom ciśnienia akustycznego (SPL), który generalnie nie ma znaczenia dla układów pomiarowych/wykrywających, ponieważ większość z nich działa przy dość niskich poziomach mocy.

Propagacja i ośrodki

Istnieje jeszcze jedna istotna różnica: ultradźwiękowy pomiar lub detekcję można przeprowadzać wyłącznie w ośrodkach propagacji, takich jak powietrze, inne gazy lub ciecze. Charakterystyka tłumienia i propagacji energii akustycznej przez różne ośrodki jest odwrotna niż w przypadku energii radiowej i optycznej. Energia akustyczna dobrze rozprzestrzenia się w cieczach, podczas gdy energia radiowa zazwyczaj nie. Energia optyczna w większości cieczy podlega wysokiemu tłumieniu. Ponadto, w przeciwieństwie do energii akustycznej, zarówno energia radiowa, jak i optyczna wykazują niskie tłumienie w próżni.

W najprostszej implementacji układ ultradźwiękowy jest wykorzystywany wyłącznie do wykrywania obecności lub nieobecności obiektu lub osoby w ogólnej strefie zainteresowania poprzez wykrywanie sygnału zwrotnego o wystarczającej sile. Dodając pomiar czasu, można również określić odległość do celu.

W bardziej zaawansowanych układach, w których trzeba również obliczyć odległość do obiektu, można zastosować proste równanie: odległość = ½ (prędkość × czas), wykorzystując czas pokonania dystansu przez emitowany impuls w obie strony oraz określoną prędkość dźwięku w powietrzu, która wynosi około 343m/s przy temperaturze +20°C (+68°F). Jeśli ośrodkiem jest płyn lub gaz inny niż powietrze, wówczas należy zastosować odpowiednią prędkość propagacji.

Należy mieć na uwadze, że prędkość dźwięku w powietrzu będzie nieco różna w zależności od temperatury i wilgotności. Dlatego też ultraprecyzyjne czujniki odległości wymagają znajomości jednego lub obu tych czynników oraz dodania do podstawowego równania współczynnika korekcyjnego.

Co ciekawe, jako przykład zamiany przez inżynierów wady w zaletę, można wspomnieć zaawansowane układy pomiaru temperatury, które wykorzystują tę zmianę prędkości propagacji w zależności od temperatury. Wspomniane układy mierzą temperaturę, wykorzystując precyzyjny czas odbicia impulsu ultradźwiękowego na znanej odległości. Następnie wykonują „korekcję odwrotną”, aby określić, jaka temperatura dałaby tę konkretną zmianę prędkości propagacji.

Proces rozpoczyna się od parametrów przetwornika

Po określeniu wymagań, projektanci muszą dobrać odpowiedni sterownik audio i powiązany z nim odbiornik, który może działać na odpowiedniej, zazwyczaj stosunkowo wysokiej częstotliwości 40kHz w przypadku wykrywania/detekcji położenia i kilkuset kiloherców w przypadku pomiaru przepływu płynu. Zalety przetworników o wysokiej częstotliwości to m.in. wyższa rozdzielczość i skoncentrowana kierunkowość (kształt wiązki skierowanej ku przodowi), ale jest też wada w postaci zwiększonego tłumienia ścieżki sygnałowej.

Wskaźnik rozpraszania i absorpcji energii ultradźwiękowej w czasie propagacji przez ośrodek w formie powietrza wzrasta wraz z częstotliwością. To skutkuje spadkiem maksymalnej możliwej do wykrycia odległości przy założeniu, że pozostałe czynniki pozostają bez zmian. Częstotliwość 40kHz stanowi kompromis takich czynników, jak sprawność, tłumienie, rozdzielczość oraz rozmiary fizyczne, które wszystkie powiązane są z długością fali.

Na początku procesu doboru warto wiedzieć, że przetworniki stosowane do pomiarów ultradźwiękowych opisuje kilka niezwykle ważnych parametrów. Są to między innymi:

• Częstotliwość robocza, tolerancja i szerokość pasma: jak wspomniano wcześniej, częstotliwość 40kHz to popularna częstotliwość do wielu podstawowych zastosowań o typowej tolerancji i szerokości pasma kilku kiloherców.
• Poziom napięcia sterującego: określa poziom napięcia, przy którym przetwornik zapewnia optymalne parametry działania. Może on wynosić od kilkudziesięciu do 100V, a nawet więcej.
• Poziom ciśnienia akustycznego (SPL): określa wielkość sygnału wyjściowego audio przy zdefiniowanym poziomie wysterowania; może z łatwością osiągnąć wartość 100dB lub więcej. Wyższy poziom ciśnienia akustycznego (SPL) zapewnia zasięg na większych odległościach (typowe rozwiązanie ultradźwiękowe ma zasięg kilku-kilkunastu metrów).
• Czułość odbiornika: charakteryzuje napięcie wyjściowe przetwornika piezoelektrycznego przy określonym poziomie ciśnienia akustycznego (SPL). Im wyższa jest ta liczba, tym łatwiej zniwelować zakłócenia w układzie i zapewnić dokładny odczyt.
• Kierunkowość: określa rozejście nadawanej wiązki, a także zakres kątowy, w którym odbiornik ma największą czułość. Typowe wartości wahają się od 60° do 80° przy 40kHz. Zazwyczaj pomiar odbywa się do kąta, przy którym odpowiedź jest o 6dB niższa od wartości dla kąta 0°.

Położenie przetworników

Jednym z czynników decydujących o wyborze przetwornika jest względne położenie i orientacja wykrywanego obiektu. Jeśli obiekt znajduje się bezpośrednio przed źródłem i zorientowany choćby częściowo pod kątem prostym do padającej energii, część tej energii zostanie odbita bezpośrednio z powrotem do źródła.

W takiej sytuacji użycie pojedynczego przetwornika zarówno do nadawania, jak i odbioru (tzw. układu monostatycznego) może uprościć fizyczną konfigurację, minimalizując jednocześnie wymagania przestrzenne i koszt przetwornika (ilustracja 2).

Ilustracja 2: w układzie monostatycznym pojedynczy przetwornik jest wykorzystywany zarówno do realizacji funkcji nadawania, jak i odbioru. (Źródło ilustracji: Science and Education Publishing Co.)

Sensownym wyborem do takiej konfiguracji będzie nadajniko-odbiornik ultradźwiękowy UTR-1440K-TT-R o częstotliwości 40kHz firmy PUI Audio (ilustracja 3). Jego średnica to zaledwie 14,4mm, a wysokość 9mm. Został zaprojektowany do pracy z napięciem sterowania prądu zmiennego o wartości międzyszczytowej 140V_p-p. Jego nominalne obciążenie sterownika wynosi 1800pF. Czułość na echo przewyższa 200mV, a kierunkowość wynosi 70°±15°.

Ilustracja 3: UTR-1440K-TT-R to podstawowy odbiornik ultradźwiękowy 40kHz, który łączy nadajnik i odbiornik w jednej obudowie. (Źródło ilustracji: PUI Audio)

W niektórych przypadkach przetworniki źródła i odbiornika są oddzielnymi urządzeniami umieszczonymi blisko siebie w układzie kolokacyjnym (ilustracja 4).

Ilustracja 4: w układzie kolokacyjnym źródło i odbiornik ultradźwięków umieszczone są obok siebie. (Źródło ilustracji: Science and Education Publishing Co.)

Inną opcją jest umieszczenie ich dość daleko od siebie w różnych orientacjach, jeśli wykrywany obiekt jest pod pewnym kątem. Taka konfiguracja jest nazywana bistatyczną. W tym przypadku obiekt odchyla padającą energię zamiast odbijać ją z powrotem do źródła. Rozdzielenie urządzeń daje również elastyczność w ich doborze do konkretnego zastosowania. Daje też elastyczność w zakresie mocy obwodu sterującego nadajnika, ponieważ nie znajduje się on już blisko czułych obwodów analogowych odbiornika.

W takich sytuacjach dobrym wyborem może być sparowanie nadajnika ultradźwiękowego UT-1640K-TT-2-R o częstotliwości 40kHz i odbiornika ultradźwiękowego UR-1640K-TT-2-R. Nadajnik ma wysokość 12mm i średnicę 16mm. Wymaga on napięcia sterującego o wartości zaledwie 20V_RMS i wytwarza ciśnienie akustyczne (SPL) na poziomie 115dB przy nominalnej pojemności 2100pF i kierunkowości wiązki 80°. Odbiornik komplementarny ma taki sam wygląd, wymiary, kierunkowość i pojemność co nadajnik (ilustracja 5).

Ilustracja 5: nadajnik ultradźwiękowy UT-1640K-TT-2-R i odbiornik ultradźwiękowy UR-1640K-TT-2-R odpowiadają za różne, uzupełniające się funkcje, mimo że mają ten sam kształt i wymiary. (Źródło ilustracji: PUI Audio)

Pomiar przepływu płynu

Oprócz podstawowej detekcji obiektów, przetworniki ultradźwiękowe są wykorzystywane do nieinwazyjnego, bezkontaktowego pomiaru natężenia przepływu cieczy i gazów. W tych zastosowaniach przetworniki pracują z wyższymi częstotliwościami, zwykle powyżej 200kHz, aby zapewnić wymaganą rozdzielczość pomiaru.

W typowym zastosowaniu pomiaru przepływu czujniki są od siebie oddalone o pewną, znaną odległość. Wówczas natężenie przepływu można obliczyć, biorąc pod uwagę odległość i czas przebiegu dźwięku między dwoma przetwornikami w obu kierunkach, ponieważ poruszający się płyn przenosi energię ultradźwiękową z różnymi prędkościami w każdym kierunku.

Różnica czasu jest wprost proporcjonalna do prędkości cieczy lub gazu w rurze. Określenie prędkości przepływu (V_f) rozpoczyna się od równania: V_f = K × Δt/T_L, gdzie K jest współczynnikiem kalibracji dla zastosowanych jednostek objętości i czasu, Δt jest różnicą między czasem przemieszczania się w jedną i drugą stronę, a T_L jest czasem przemieszczania się przy zerowym przepływie.

Do tego podstawowego równania dodawane są różne współczynniki kompensacji i korekcji, aby uwzględnić między innymi temperaturę płynu i kąt między przetwornikami a rurą. W praktyce przepływomierz ultradźwiękowy wymaga rzeczywistego „sprzętu” i złączek (ilustracja 6).

Ilustracja 6: rzeczywisty przepływomierz bazujący na czasie przelotu dźwięku wymaga różnych złączek i połączeń. Należy zwrócić uwagę na podwójne przetworniki ultradźwiękowe. (Źródło ilustracji: Circuit Digest)

Przepływomierze bazujące na czasie przelotu dźwięku działają dobrze z lepkimi cieczami, pod warunkiem, że liczba Reynoldsa przy minimalnym przepływie jest mniejsza niż 4000 (przepływ laminarny) lub większa niż 10000 (przepływ turbulentny), ale wykazują znaczne nieliniowości w obszarze przejściowym między tymi dwoma zakresami. Są one używane do pomiaru przepływu ropy naftowej w przemyśle naftowym oraz znajdują szerokie stosowanie w opomiarowywaniu cieczy kriogenicznych o bardzo niskich temperaturach sięgających nawet -300°C, a także do pomiaru przepływu stopionego metalu - czyli w zastosowaniach z dwóch skrajnych obszarów na osi temperatury.

Firma PUI oferuje przetworniki ultradźwiękowe, które są specjalnie zaprojektowane do pomiarów przepływu płynów na podstawie czasu przelotu dźwięku. Przetwornik UTR-18225K-TT pracuje z częstotliwością 225±15kHz i ma wąski kąt wiązki wymagany do tego zastosowania, wynoszący zaledwie ±15°. Ten przetwornik nadawczo-odbiorczy ma średnicę 18mm i wysokość 9mm oraz pojemność 2200pF. Może być sterowany ciągiem fal prostokątnych o napięciu 12V_p-p i do 100V_p-p przy niskich cyklach roboczych.

Wymaga również obwodów sterujących oraz obwodów kondycjonowania sygnału

Ultradźwiękowy układ detekcji to coś więcej niż tylko przetworniki piezoelektryczne. Aby spełnić wymagania dotyczące sterowania przetwornika w trybie nadawania oraz na potrzeby kondycjonowania sygnału w analogowym układzie front-end (AFE) niskiego poziomu w trybie odbioru konieczne są odpowiednie i bardzo zróżnicowane obwody. Choć niektórzy użytkownicy budują własne obwody, to dostępne są układy scalone, które mogą w wygodny sposób zapewnić podstawowe funkcje sterowania i analogowe układy front-end (AFE) wraz z dodatkowymi funkcjami.

Przykładowo, opracowany przez firmę Texas Instruments 16-odprowadzeniowy układ scalony PGA460 o wymiarach 5,00mm × 4,40mm, został zaprojektowany do użytku z takimi przetwornikami jak ultradźwiękowy nadajniko-odbiornik UTR-1440K-TT-R 40kHz firmy PUI Audio. Ten wysoce zintegrowany układ scalony na poziomie systemu zawiera sterownik przetwornika ultradźwiękowego w układzie SoC i kondycjoner sygnałów oraz zaawansowany rdzeń cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) (ilustracja 7).

Ilustracja 7: PGA460 to kompletny interfejs do realizacji zarówno funkcji nadawania, jak i odbioru przetwornika ultradźwiękowego. Zawiera on obwody sterowania mocą, analogowy układ front-end (AFE) i rdzeń cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) do uruchamiania powiązanych algorytmów. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Urządzenie PGA460 wyposażono w uzupełniającą parę sterowników strony niskiej, które mogą sterować przetwornikiem w topologii opartej na transformatorze dla wyższych napięć sterujących za pomocą transformatora podwyższającego napięcie lub w topologii sterowania bezpośredniego z wykorzystaniem zewnętrznych tranzystorów polowych (FET) strony wysokiej dla niższych napięć sterujących. Analogowy układ front-end (AFE) składa się ze wzmacniacza niskoszumowego (LNA), za którym znajduje się programowalny stopień zmiennego w czasie wzmocnienia dostarczający sygnały do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Zdigitalizowany sygnał jest przetwarzany w rdzeniu cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) w celu detekcji obiektów w polu bliskim i dalekim przy użyciu zmiennych w czasie wartości progowych.

Zmienne w czasie wzmocnienie oferowane przez urządzenie PGA460 jest cechą często wykorzystywaną w przetwornikach ultradźwiękowych, zarówno do podstawowej detekcji obiektów, jak i w zaawansowanych układach obrazowania medycznego. Pomaga to przezwyciężyć nieunikniony, ale znany z góry współczynnik tłumienia energii sygnału akustycznego podczas jego propagacji przez ośrodek.

Ponieważ zarówno wspomniane tłumienie, jak i prędkość propagacji są znane, możliwe jest skompensowanie nieuniknionych strat poprzez „zwiększanie” wzmocnienia analogowego układu front-end (AFE) w funkcji czasu, skutecznie niwelujące efekt tłumienia w funkcji odległości. W rezultacie stosunek sygnału do szumu (SNR) układu jest maksymalizowany niezależnie od odległości wykrywania, a układ może obsługiwać szerszy zakres dynamiczny odbieranych sygnałów.

Aby umożliwić dalsze zgłębianie zastosowań omawianych przetworników, firma Texas Instruments oferuje moduł ewaluacyjny PGA460PSM-EVM, który współpracuje z ultradźwiękowym nadajniko-odbiornikiem UTR-1440K-TT-R 40kHz firmy PUI Audio (ilustracja 8).

Ilustracja 8: moduł ewaluacyjny PGA460PSM-EVM jest oparty na urządzeniu PGA460 i upraszcza badanie działania układu ultradźwiękowego dzięki wykorzystaniu ultradźwiękowego nadajnika-odbiornika UTR-1440K-TT-R 40kHz firmy PUI Audio. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Moduł ten wymaga do działania tylko kilku zewnętrznych komponentów oraz zasilacza (ilustracja 9). Jest sterowany za pomocą poleceń otrzymywanych z graficznego interfejsu użytkownika (GUI) na komputerze PC, do którego zwraca dane w celu wyświetlenia i dalszej analizy. Poza podstawowymi funkcjami i ustawianiem parametrów roboczych, pozwala użytkownikom na wyświetlanie profilu echa ultradźwiękowego i wyników pomiarów.

Ilustracja 9: moduł ewaluacyjny PGA460PSM-EVM łączy się z komputerem PC za pomocą graficznego interfejsu użytkownika, który umożliwia użytkownikom obsługę przetwornika i sterowanie nim oraz wyświetlanie krytycznych przebiegów, a także innych funkcji. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Podsumowanie

Piezoelektryczne przetworniki ultradźwiękowe stanowią wygodny i skuteczny sposób wykrywania pobliskich obiektów, a nawet mierzenia odległości od nich. Są niezawodne, łatwe w użyciu i pomagają projektantom uniknąć problemów związanych z widmem o częstotliwości radiowej czy też problemów zgodności z przepisami dot. zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Mogą być również wykorzystywane do bezkontaktowego pomiaru natężenia przepływu płynów. Ich integrację z układem, zarówno na potrzeby funkcji nadawania, jak i odbioru obsługiwanych przez zestaw ewaluacyjny, upraszczają układy scalone interfejsu, zapewniając jednocześnie elastyczność w ustawianiu parametrów pracy.