Anwendung der Ultraschalltechnologie bei intelligenter Durchflussmessung

Auf dem Industriemarkt spielen Halbleiterchipsätze eine große Rolle bei der Umwandlung mechanischer Geräte in elektromechanische oder rein elektronische Geräte. Jedes Marktsegment kann in viele Anwendungen unterteilt werden, und die Hersteller entwerfen spezifische Produkte für jede Anwendung.

Seit mehr als 100 Jahren wird in einigen zivilen, medizinischen und militärischen Bereichen Ultraschall- oder Ultraschalltechnologie eingesetzt. Fast jeder wird in seinem Leben medizinische Ultraschalltechnologie einsetzen. Der jüngste Anwendungsfall ist jedoch die Realisierung der Automatisierung in den Bereichen Industrie- und Automobilfelder. Wir sind überrascht zu sehen, dass diese Technologie ihren Platz in einer Reihe wirklich vielfältiger Anwendungen eingenommen hat. Die nicht-invasiven (nichtkorrosiven) und nichtkontakten Eigenschaften der Ultraschalltechnologie machen es ideal für medizinische, pharmazeutische, militärische und fabrische Anwendungen.

In den Industrie- und Automärkten finden Sie die Ultraschalltechnologie für Entfernungsmessungen, Erkennung von Belegungen, Niveau -Erkennung, Zusammensetzungsanalyse, Durchflussrate -Messung, Parkhilfe, Landeshilfe und Unterstützung bei der Eröffnung von Rumpf. Ultraschallsensoren, auch als Ultraschallwandler bekannt, können außerhalb von Frequenzen arbeiten, die Menschen nicht hören können, und ihre Betriebsfrequenzen reichen von 20 kHz bis zu einigen Megahertz.

Die meisten Ultraschallwandler bestehen aus piezoelektrischen Materialien, und wenn elektrische Impulse angewendet werden, werden mechanische Schwingungen oder Ultraschallwellen erzeugt. Einige Wandler können auch die mechanische Schwingung in elektrische Energie umwandeln. Wandler sind grob in drei Arten unterteilt:

Nach der Verarbeitung des empfangenen elektrischen Signals können Sie mehrere relevante Komponenten für industrielle oder Automobilanwendungen geeignet erhalten. Eine der häufigsten und wichtigsten Komponenten ist die Fluchtzeit (TOF) der Ultraschallzeit, die sich auf die Rundweg-Zeitabschätzung von Ultraschallwellen bezieht Objekt gegen den Sensor. Dies ist das grundlegende Prinzip für die Verwendung von Ultraschalltechnologie in Smart-Messgeräten zur Messung des Wasser-, Gas- oder Heizungsstroms (ob aufdringlich oder nicht störend) und Verbrauchsdaten für eine einfache Abrechnung vorlegen.

Durchflussmessung ist die Quantifizierung des Flüssigkeits- oder Gasflusss (Volumen oder Geschwindigkeit). Die Messeinheit ähnelt Litern / Minute (oder Sekunden oder Stunden) oder Quadratmeter / Sekunde. Der Bereich der Durchflussmesser ist relativ breit, von einfachen öffentlichen Instrumenten für den Haushaltsgebrauch (Gas / Wasser / Heizung) bis hin zu Industrieinstrumenten oder Mixern für gefährliche Flüssigkeiten oder Gase (Öl, Bergbau, Abwasserbehandlung, Farben und Chemikalien usw.). Strukturell umfasst der Durchflussmesser eine Sensoreinheit, eine Messeinheit und eine Steuer- / Kommunikationseinheit, die jeweils weiter in mechanische oder elektronische Aufteilung unterteilt werden kann. Abbildung 1 vergleicht die verschiedenen Arten von Flowmeter -Erfassungstechnologien, aus denen die Sensoreinheit besteht. Ultraschalldurchflussmessgeräte haben mehrere Vorteile.

Abbildung 1: Vergleich von Flüssig- oder Gasströmungsemethoden

Ultraschallflussmesserwandler unter Verwendung von TOF- oder Ultraschallmessfluss durch Berechnung der Zeitdifferenz (Ausbreitungsverzögerung) der übertragenen und empfangenen Ultraschallsignale. Um es auf die Flussmessung anzuwenden, verwenden Designer ein Paar identischer Transkribärbetriebs-Wandler, um sie in stromaufwärts- und stromabwärts gelegenen Richtungen zu erregen. Wenn sie sich in eine Richtung ausbreiten, die mit dem Flüssigkeitsfluss übereinstimmt, verbreiten sich Ultraschallwellen schneller aus, während sich Ultraschallwellen in einer Richtung gegenüber dem Fluidfluss langsamer ausbreiten. Daher ist mindestens ein Paar Wandler erforderlich, aber einige Topologien verwenden mehr Wandler.

Abbildung 2 zeigt ein typisches Konzept der Ultraschallflussdetektion, und die Platzierung des Wandlers in der Pipeline kann ausgewählt werden. Im Allgemeinen verwendet die Flüssigemerkennung Sensoren mit höheren Frequenzen im Spektrum (> 1 MHz), während Gasmedien Sensoren mit niedrigeren Frequenzen (<500 kHz) verwendet. Darüber hinaus erfordert die für die Durchflussmessung verwendete Ultraschalltechnologie einen direkten Pfad zwischen zwei beliebigen Wandlern, was eine sorgfältige mechanische Konstruktion der Flüssigkeitspipeline erfordert, die den Wandler beherbergt. Die Ultraschalltechnologie funktioniert in Gegenwart von Blasen nicht, da Blasen das Ultraschallsignal erheblich beeinträchtigen können.

Abbildung 2: Beispiele für häufige Topologien für die Ultraschallerkennung von Durchflussmesser und Installationsorten in Rohren
Abbildung 3 zeigt ein generisches Rohrleitungsdesign mit dem am Boden platzierten Wandler und reflektierendem Material, um sicherzustellen, dass sich das Ultraschallsignal zwischen den Wandlern ausbreiten kann (XDCR1 und XDCR2 in der Abbildung).

Abbildung 3: Universeller Durchflussrohr mit einem Paar Wandlern installiert

Wobei ΔT TOF ist, C ist die Geschwindigkeit des Ultraschallsignals, das sich im Medium in der Rohrleitung ausbreitet Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um TOF -Informationen zu bestimmen, aber alle Methoden müssen in der Lage sein, die Ausgabe des Wandlers zu verarbeiten.Figure4 zeigt eine typische Ausgabe.

Abbildung 4: Typische Reaktion eines Ultraschallwandlers, wenn er elektrisch angeregt ist
Die Verarbeitung dieser Wellenform liefert die Informationen, die zur Lösung von Gleichungen 1 und 2 erforderlich sind. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Wellenformen zu verarbeiten, einschließlich Zeit-zu-Digital-Umwandlung (TDC), Erkennung von Nullkreuzungen und Wellenformaufnahme. Jede Methode hat Vor- und Nachteile.

ChIP -Anbieter verwenden verschiedene Architekturen, um Ultraschallströmungsmessungsprobleme zu lösen. Einige Hersteller verwenden diskrete analoge Komponenten, gefolgt von digitalen Prozessoren. Andere Hersteller haben versucht, analoge Komponenten in digitale Prozessoren zu integrieren, um eine Single-Chip-Lösung zu bilden. In der Wellenform-Erfassungsmethode wird eine schnelle analoge Schaltung verwendet, um das gesamte Ultraschallsignal zu erfassen, und dann wird ein Analog-zu-Digital-Wandler verwendet, um das analoge Signal in ein digitales Signal umzuwandeln, und dann kann der digitale Signalverarbeitungsalgorithmus TOF erhalten Information.

ChIP -Anbieter verwenden verschiedene Architekturen, um Ultraschallströmungsmessungsprobleme zu lösen. Einige Hersteller verwenden diskrete analoge Komponenten von 100 kHz -Ultraschallwandler, gefolgt von digitalen Prozessoren. Andere Hersteller haben versucht, analoge Komponenten in digitale Prozessoren zu integrieren, um eine Single-Chip-Lösung zu bilden. In der Wellenform-Erfassungsmethode wird eine schnelle analoge Schaltung verwendet, um das gesamte Ultraschallsignal zu erfassen, und dann wird ein Analog-zu-Digital-Wandler verwendet, um das analoge Signal in ein digitales Signal umzuwandeln, und dann kann der digitale Signalverarbeitungsalgorithmus TOF erhalten Information.

Aufgrund der technischen Verbesserungen von Ultraschallwandlern, wodurch sie billiger, genauer, kleiner und allgegenwärtig sind, wurde die Ultraschalltechnologie bei der Durchflussmessung häufig eingesetzt. Die erweiterte integrierte Analogschaltung erleichtert das Erfassen und Verarbeiten der Ultraschallwandlerwellenform in Echtzeit, wodurch genaue TOF -Informationen erhalten werden. Darüber hinaus ist der Ultraschallfluss genauer, kleiner und hat keine beweglichen Teile, was es für die Hersteller zu einer hervorragenden Wahl macht, mechanische Durchflussmesser zu ersetzen. Die Hersteller müssen jedoch die Installation und Positionierung von Rohrleitungen und Wandlersaugers und die Installation und Positionierung des Wandels sorgfältig verstehen, um sicherzustellen, dass alle Vorteile der Ultraschalltechnologie bei der Durchflussmessung vollständig genutzt werden.