Podstawy stosowania przetworników ultradźwiękowych do wykrywania obiektów i pomiaru przepływu płynów

© RDOŚ Kielce

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°.