Aplicación de la tecnología ultrasónica en medición de flujo inteligente.

En el mercado industrial, los chipsets semiconductores desempeñan un gran papel en la transformación de equipos mecánicos a equipos electromecánicos o puramente electrónicos. Cada segmento de mercado se puede desglosar en muchas aplicaciones, y los fabricantes diseñarán productos específicos para cada aplicación.

Ecografía o la tecnología de ultrasonido se ha utilizado en algunos campos civiles, médicos y militares desde hace más de 100 años. Casi todo el mundo va a utilizar la tecnología de ultrasonido médico en su vida. Sin embargo, su caso más reciente aplicación es la realización de la automatización en los sectores industrial y de automoción. Nos sorprende ver que esta tecnología ha tomado su lugar en una serie de verdaderamente diversas aplicaciones. Las características no invasivos (no corrosivo) y no contacto de la tecnología de ultrasonidos lo hacen ideal para aplicaciones militares y de fábrica médica, farmacéutica,.

En los mercados industriales y de automoción, la tecnología de ultrasonidos se puede encontrar para la medición de distancia, la detección de ocupación, la detección de nivel, análisis de la composición, de medición de caudal, asistente de aparcamiento, la asistencia de aterrizaje, y la asistencia de apertura del maletero. Los sensores ultrasónicos, también conocidos como transductores ultrasónicos, pueden operar fuera de las frecuencias que los seres humanos no pueden oír, y sus frecuencias de funcionamiento varían desde 20 kHz a unos pocos megahertz.

La mayoría de los transductores ultrasónicos están hechas de materiales piezoeléctricos, y cuando se aplican impulsos eléctricos, se generan vibraciones mecánicas o de ondas ultrasónicas. Algunos transductores también pueden convertir de nuevo la vibración mecánica en energía eléctrica. Los transductores se dividen básicamente en tres tipos:

Después de procesar la señal eléctrica recibida, puede obtener varios componentes relevantes adecuados para aplicaciones industriales o de automoción. Uno de los componentes más comunes e importantes es el tiempo-de-vuelo ultrasónico (TOF), que se refiere a la estimación de tiempo de ida y vuelta de las ondas ultrasónicas emitidas desde el transductor medidor de flujo ultrasónico para la medición de flujo al objeto de destino y luego reflejada de vuelta desde el oponerse al sensor. Este es el principio básico del uso de la tecnología de ultrasonidos en metros inteligentes para medir el flujo de agua, gas o calentamiento (ya sea intrusivo o no intrusiva) datos de consumo y presente a los consumidores para una fácil facturación.

Medición de flujo es la cuantificación de flujo de líquido o gas (volumen o velocidad). La unidad de medida es similar a litros / minuto (o segundos u horas) o metros cuadrados / segundo. La gama de medidores de flujo es relativamente amplia, de instrumentos públicos simples para uso doméstico (gas / agua / calefacción) a los instrumentos industriales o mezcladores para líquidos o gases peligrosos (petróleo, minería, tratamiento de aguas residuales, pinturas y productos químicos, etc.). Estructuralmente, el medidor de flujo incluye una unidad de sensor, una unidad de medición, y una unidad de control / de comunicación, cada uno de los cuales puede ser dividida en mecánica o electrónica. La Figura 1 compara los diferentes tipos de tecnologías de detección del medidor de caudal que componen la unidad de sensor. Los medidores de flujo ultrasónicos tienen varias ventajas.

Figura 1: Comparación de métodos de detección de flujo de líquidos o líquidos

Transductor de caudalímetro ultrasónico que utiliza el TOF o la medida de ultrasonido flujo calculando la diferencia de tiempo (retardo de propagación) de las señales de ultrasonido transmitidas y recibidas. Para aplicarlo a la medición de flujo, los diseñadores utilizan un par de transductores de tipo transceptor idéntico para excitarlos en las instrucciones aguas arriba y aguas abajo, respectivamente. Cuando se propagan en una dirección consistente con el flujo de fluido, las ondas ultrasónicas se propagan más rápido, mientras que en una dirección opuesta al flujo de fluido, las ondas ultrasónicas se propagan más lentas. Por lo tanto, se requiere al menos un par de transductores, pero algunas topologías usan más transductores.

La Figura 2 muestra un concepto típico de la detección de flujo ultrasónica, y se puede seleccionar la colocación del transductor en la tubería. La elección del sensor ultrasónico depende del tipo de medio que requiera medición del caudal. En general, la detección de líquidos utiliza sensores con frecuencias más altas en el espectro (> 1 MHz), mientras que los medios gaseosos utilizan sensores con frecuencias más bajas (<500 kHz). Además, la tecnología ultrasónica utilizada para la medición de flujo requiere una ruta directa entre cualquiera de los dos transductores, lo que requiere un diseño de construcción de construcción mecánica cuidadosamente de la tubería fluida que alberga el transductor. La tecnología ultrasónica no funciona en presencia de burbujas, porque las burbujas pueden causar una atenuación significativa de la señal de ultrasonido.

Figura 2: Ejemplos de topologías comunes para detección ultrasónica de flujos y ubicaciones de instalación en tuberías
La Figura 3 muestra un diseño genérico de tuberías con el transductor colocado en el material inferior y reflectante para garantizar que la señal ultrasónica pueda propagarse entre los transductores (XDCR1 y XDCR2 en la figura).

Figura 3: Tubo de flujo universal con un par de transductores instalados

Donde Δt es TOF, C es la velocidad de la señal ultrasónica que se propaga en el medio en la tubería, V es la velocidad del flujo, L es la longitud de propagación de la tubería, T12 es el tiempo de propagación hacia arriba, y T21 es el tiempo de propagación río abajo Hay varias formas de determinar la información TOF, pero todos los métodos deben poder procesar la salida del transductor.Figure4 muestra una salida típica.

Figura 4: Respuesta típica de un transductor ultrasónico cuando se emociona eléctricamente.
El procesamiento de esta forma de onda proporciona la información necesaria para resolver las ecuaciones 1 y 2. Hay varias formas de procesar formas de onda, incluida la conversión de tiempo a digital (TDC), la detección de cruce cero y la captura de forma de onda. Cada método tiene ventajas y desventajas.

Los proveedores de chips utilizan varias arquitecturas para resolver problemas de medición de flujo ultrasónico. Algunos fabricantes utilizan componentes analógicos discretos, seguidos de procesadores digitales. Otros fabricantes han intentado integrar componentes analógicos en procesadores digitales para formar una solución de un solo chip. En el método de captura de forma de onda, se usa un circuito analógico rápido para capturar toda la señal ultrasónica, y luego se usa un convertidor analógico a digital para convertir la señal analógica a una señal digital, y luego el algoritmo de procesamiento de señal digital puede obtener TOF información.

Los proveedores de chips utilizan varias arquitecturas para resolver problemas de medición de flujo ultrasónico. Algunos fabricantes utilizan componentes analógicos discretos del transductor ultrasónico de 100 kHz, seguido de procesadores digitales. Otros fabricantes han intentado integrar componentes analógicos en procesadores digitales para formar una solución de un solo chip. En el método de captura de forma de onda, se usa un circuito analógico rápido para capturar toda la señal ultrasónica, y luego se usa un convertidor analógico a digital para convertir la señal analógica a una señal digital, y luego el algoritmo de procesamiento de señal digital puede obtener TOF información.

Debido a las mejoras técnicas de los transductores ultrasónicos, lo que los hace más baratos, más precisos, más pequeños, y la tecnología ultrasónica ubicua, se ha utilizado ampliamente en la medición del flujo. El circuito analógico integrado avanzado hace que sea más fácil capturar y procesar la forma de onda del transductor ultrasónica en tiempo real, obteniendo así una información de TOF precisa. Además, el medidor de flujo ultrasónico es más preciso, menor en tamaño, y no tiene partes móviles, lo que la convierte en una excelente opción para que los fabricantes reemplacen los flujos mecánicos. Sin embargo, los fabricantes aún deben comprender cuidadosamente el diseño de tuberías y la instalación y posicionamiento del transductor para garantizar que todas las ventajas de la tecnología ultrasónica se utilicen completamente en la medición del flujo.