Ultrahangos jelátalakítók használata objektumok észlelésére és folyadékáramlás mérésére – alapismeretek

A dolgok internete (IoT) és a mesterséges intelligenciának (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) a hálózat peremén való egyre növekvő szerepe felkeltette az érdeklődést a készülékek intelligensebbé és környezettudatosabbá tétele iránt. Ennek eredményeképpen a tervezőknek mérlegelniük kell, hogy melyik érzékelési lehetőség a legmegfelelőbb. Ezek közül sok már jól bevált technikákra tud támaszkodni a bonyolultság elkerülése érdekében. Az ultrahang-energiát például széles körben használják közeli objektumok jelenlétének érzékelésére, sőt távolságuk meghatározására, valamint folyadékok áramlási sebességének mérésére is.

Az ultrahang előnyei közé tartozik, hogy viszonylag egyszerűen használható, pontos, minimális a biztonsági vagy kockázati tényezője, nem vonatkoznak rá szabályozási korlátozások, nem érinti a rádiófrekvenciás (RF) spektrum kiosztása, valamint elkerülhetők vele az elektromágneses (EMI) és a rádiófrekvenciás zavarás (RFI) okozta problémák.

Bár jól bevált módszer, de az ultrahangos érzékelés előnyeinek teljes kihasználásához a tervezőknek jól kell ismerniük a működési elveket, a beszerezhető alkatrészeket és a kapcsolódó áramköri követelményeket. Meg kell fontolniuk a szerkezeti felépítést is, például azt, hogy külön adó- és vevőegységet használjanak-e – ami lehetővé teszi, hogy máshol helyezzék el a kettőt –, vagy egy kombinált, egy házban elhelyezett adó-vevő egységet használjanak. Végül pedig biztosítaniuk kell olyan megfelelő elektronikus meghajtóegységet és vevőt, amely az észleléshez és helyzetmeghatározáshoz, illetve a folyadékáramlás méréséhez optimális frekvencián képes működni.

Ez a cikk alapszintű betekintést ad az ultrahangos jelátalakítókról, valamint az objektumok észlelésében és az áramlás mérésében való használatukról. Példaként bemutatjuk a PUI Audio néhány valós ultrahangos eszközét, valamint ismertetünk egy azokhoz használható meghajtó IC-t és egy ahhoz kapcsolódó, a fejlesztést segítő fejlesztőkészletet.

Egyszerű, a természetből vett működési elv

Az ultrahangos érzékelés az egyes állatok, például a delfinek és a denevérek által használt alapszintű echolokációs (visszhang alapján történő helyzetmeghatározási) elv kifinomult változata (1. ábra).

1. ábra: Az elektronikus akusztikus észlelés és helyzetmeghatározás az echolokációból ered, amelyet egyes élőlények, például a denevérek hatékonyan használnak (ábra: Wikipedia)

Működés közben egy átalakító, amely általában egy piezoelektromos eszköz, egy rövid hangenergia-impulzust állít elő. Az impulzus végén a rendszer átvált vételi üzemmódba, és várja az impulzus visszaverődését (visszhangját – latinul és angolul is echo). Amikor az átvitt akusztikus energia impedanciaátmenetbe vagy valamilyen határfelületbe ütközik, például a levegő és egy szilárd test között, az energia egy része visszaverődik, és a visszavert rész érzékelhető. Az érzékelésére általában valamilyen piezoelektromos eszközt használnak.

Az akusztikai impedancia az adott anyag sűrűségén és az anyagra jellemző hangsebességen alapul, és fontos meghatározni a két különböző akusztikai impedanciájú anyag határán fellépő visszaverődés mértékét.

A visszavert energia aránya az anyagfajta és az abszorpciós tényező (vagy hangelnyelési tényező), valamint az anyagok határfelületén mérhető impedanciakülönbség függvénye. Az olyan kemény anyagok, mint a kő, a tégla vagy a fémek nagyobb mértékben verik vissza a hangot, mint a puha anyagok, például a szövet vagy a párnák.

A levegő akusztikai impedanciája négy nagyságrenddel kisebb, mint a legtöbb folyadéké vagy szilárd anyagé. Ennek eredményeként a visszaverődési tényezők nagy különbsége miatt az ultrahang-energia nagy része visszaverődik a jelátalakítóhoz. Az akusztikai keresztmetszet a radarkeresztmetszethez hasonló mérőszám, amelyet a célobjektum anyaga és mérete határoz meg.

Ez az észlelés és távolságérzékelés hasonló ahhoz, ami akkor történik, amikor a radar rádiófrekvenciás energiája vagy a lidar optikai energiája impedancia-határfelületbe ütközik, és az energia egy része visszaverődik a forráshoz. Bár az általános alapelv ugyanaz, van egy nagy különbség: az ultrahang-energia nem elektromágneses energia. A frekvenciaspektrum használata nincs szabályozva, és nagyon kevés korlátozás vonatkozik rá. Az egyik vonatkozó korlátozás a túl nagy hangnyomásszint (SPL, sound pressure level), amivel az észlelő és érzékelő berendezések esetében általában nem kell törődni, ugyanis ezek többsége meglehetősen kis teljesítményszinteken működik.

Lényeges a hangsebesség és a hangközvetítő közeg

Van még egy nagy különbség: az ultrahangos észlelés és érzékelés csak a hangot közvetítő közegben, például levegőben, más gázokban vagy folyadékokban használható. A hangenergia csillapítási és terjedési jellemzői a különböző közegekben ellentétesek a rádiófrekvenciás és optikai energia hasonló jellemzőivel. A hangenergia jól terjed a folyadékokban, míg a rádiófrekvenciás energia általában nem. A legtöbb folyadékban az optikai energia is nagymértékben csillapítódik. Emellett a hangenergiával ellentétben a rádiófrekvenciás és az optikai energiának vákuumban kicsi a csillapítása.

A legegyszerűbb kialakításban az ultrahangos rendszer kizárólag arra szolgál, hogy a megfelelő erősségű visszavert jelet érzékelve észlelje egy tárgy vagy személy jelenlétét vagy nem létét egy érdeklődésre számot tartó általános zónán belül. Ezt időméréssel kiegészítve a tárgy vagy személy távolsága is meghatározható.

A bonyolultabb rendszerekben, ahol az objektum távolságát is ki kell számítani, egy egyszerű egyenletet lehet használni: távolság = ½ (sebesség × idő). Ehhez a impulzus kibocsátása és a visszavert jel vétele között eltelt időt és a hang levegőbeni terjedési sebességét kell alapul venni, amely +20 °C-on körülbelül 343 m/s. Ha a közeg nem levegő, hanem folyadék vagy valamilyen gáz, akkor az abban fennálló hangterjedési sebességet kell használni.

Ne feledje, hogy a hangsebesség a levegőben a hőmérséklet és a páratartalom függvényében kissé változik. Ezért a nagyon nagy pontosságú távolságmérő eszközök megkövetelik, hogy ezen tényezők egyikét vagy mindkettőt ismerjük, és az alapegyenletet kiegészítsük valamilyen helyesbítési tényezővel.

Érdekes példaként arra, hogy a mérnökök képesek egy negatív tényezőt pozitívvá alakítani, vannak olyan korszerű hőmérséklet-érzékelő rendszerek, amelyek a hangsebességnek a hőmérséklet miatti változását használják ki. Ezek a rendszerek a hőmérsékletet a visszavert ultrahangimpulzusok egy ismert távolságból való visszaverődési idejének pontos mérésével állapítják meg. Ezután „fordított helyesbítést” végeznek, hogy meghatározzák, milyen hőmérséklet okozta a hangsebesség adott mértékű változását.

A folyamat a jelátalakító paramétereivel kezdődik

A felhasználási követelmények meghatározása után a tervezőknek ki kell választaniuk a megfelelő hangszórót és a hozzá tartozó vevőt, amely képes az észleléshez vagy helyzetmeghatározáshoz szükséges, jellemzően viszonylag magas, 40 kHz-es frekvencián (illetve folyadékáramlás érzékelése esetén több száz kHz-es frekvencián) működni. A nagyfrekvenciás jelátalakítók előnyei közé tartozik a nagyobb felbontás és a fókuszált irányíthatóság (előre irányított sugárnyaláb), hátrányuk viszont a jel által megtett út során bekövetkező nagyobb csillapítás.

Az ultrahang-energia szóródásának és elnyelésének mértéke a levegőben mint közegben való terjedés során a frekvencia növekedésével együtt nő. Emiatt, ha a többi tényezőt változatlanul hagyjuk, csökken a legnagyobb észlelési távolság. A 40 kHz-es frekvencia olyan tényezők közötti kompromisszum, mint a hatásfok, a csillapítás, a felbontás és a fizikai méret, amelyek mindegyike kapcsolódik a hullámhosszhoz.

A kiválasztási folyamat megkezdéséhez hasznos tudni, hogy az ultrahangos érzékeléshez használt jelátalakítókat számos felső szintű paraméter jellemzi. Ezek közé tartoznak a következők:

• Működési frekvencia, tűrés és sávszélesség: Mint említettük, sok alapszintű készülék 40 kHz-et használ, jellemzően több kilohertzes tűréshatárral és sávszélességgel.
• Meghajtó feszültségszint: Az a feszültségszint, amelyen a jelátalakító optimális teljesítményt nyújt. Ez néhány tíz volttól 100 V-ig vagy akár annál is többig terjedhet.
• Hangnyomásszint: A kimenő hangerő az adott meghajtási szinten. Könnyen elérheti a 100 dB-t vagy annál többet is. A nagyobb hangnyomás nagyobb távolságú lefedettséget tesz lehetővé (egy jellegzetes ultrahangos készülék hatótávolsága több tíz méter).
• A vevő érzékenysége: A piezoelektromos jelátalakító kimenőfeszültsége adott hangnyomásszint mellett. Minél nagyobb ez a szám, annál könnyebb lesz leküzdeni a rendszerzajt, és annál pontosabb lesz a mért érték.
• Irányíthatóság: A kisugárzott sugárnyaláb sugárzási szöge, valamint az a szögtartomány, amelyben a vevő a legérzékenyebb. A jellegzetes értékek 40 kHz-en 60° és 80° között mozognak, ez általában az a szög, amelynél a visszavert jel 6 dB-lel alacsonyabb a 0°-os szögben mért értéknél.

A jelátalakítók elhelyezése

A jelátalakító kiválasztását meghatározó egyik szempont az érzékelt objektum helyzete és iránya a jeladóhoz képest. Ha az objektum egyenesen a hangforrás előtt van, és teljesen vagy részben merőleges a felülete a beeső energiára, akkor a beeső energia egy része közvetlenül a forráshoz verődik vissza.

Ebben az esetben a fizikai felépítés egyszerűsíthető úgy, hogy egyetlen jelátalakítót használunk mind az adó-, mind a vevőfunkcióhoz (úgynevezett egybázisú vagy monosztatikus elrendezés). Ez egyúttal minimálisra csökkenti a helyigényt és a jelátalakító költségeit is (2. ábra).

2. ábra: Az egybázisú elrendezésben egyetlen jelátalakítót használnak mind az adás, mind a vétel funkcióra (ábra: Science and Education Publishing Co.)

Ehhez az elrendezéshez remekül használható választás a PUI Audio UTR-1440K-TT-R (3. ábra), egy 40 kHz-es ultrahang adó-vevő. Átmérője mindössze 14,4 mm, magassága pedig 9 mm. Úgy tervezték, hogy 140 V-os amplitúdójú (V_p-p) váltakozó feszültséggel működjön, és 1800 pF névleges terhelést mutasson a meghajtó felé. Visszhangérzékenysége jobb mint 200 mV, irányíthatósága pedig 70° ±15°.

3. ábra: Az UTR-1440K-TT-R egy 40 kHz-es alapszintű ultrahang adó-vevő, amely egyetlen házban egyesíti az adót és a vevőt (kép: PUI Audio)

Egyes esetekben a hangforrás és a vevő jelátalakító különálló eszköz, de egymás mellett helyezkednek el úgynevezett egymás melletti elrendezésben (4. ábra).

4. ábra: Egymás melletti elrendezésben az ultrahangforrás és a vevő egymás mellett helyezkedik el (ábra: Science and Education Publishing Co.)

Egy másik lehetőség, hogy jelentős távolság választja el egymástól a hangforrást és a vevőt, amelyek különböző tájolásúak is lehetnek, ha az érzékelendő objektum valamilyen szögben áll. Ezt kétbázisú vagy bisztatikus elrendezésnek nevezik. Ilyenkor az objektum eltéríti a beeső energiát ahelyett, hogy egyenesen a hangforráshoz verné vissza. A különálló eszközök nagyobb rugalmasságot kínálnak a felhasználási területnek megfelelő kiválasztásukat illetően is. Emellett az adó meghajtóáramkörének teljesítménye is rugalmasan állítható, mivel az már nincs közel a vevő érzékeny analóg áramköreihez.

Ilyen esetekben jó választás lehet egy olyan párosítás, mint a 40 kHz-es UT-1640K-TT-2-R ultrahangadó és az UR-1640K-TT-2-R ultrahangvevő együttes használata. Az adó 12 mm magas és 16 mm átmérőjű. Mindössze 20 V_RMS meghajtást igényel, és 115 dB-es hangnyomásszintet állít elő, miközben 2100 pF a névleges kapacitása és 80°-os nyalábszélességű az irányíthatósága. A hozzá való, az adót kiegészítő vevő megjelenése, méretei, irányíthatósága és kapacitása megegyeznek az adóéval (5. ábra).

5. ábra: Az UT-1640K-TT-2-R ultrahangadó és az UR-1640K-TT-2-R ultrahangvevő különböző, egymást kiegészítő funkciókat lát el, de a kinézetük és a méreteik megegyeznek (kép: PUI Audio)

A folyadékáramlás érzékelése

Az ultrahangos jelátalakítókat az alapszintű objektumészlelésen túl a folyadék- és gázáramlás beavatkozás- és érintkezésmentes mérésére is használják. Ezeken a felhasználási területeken a jelátalakítók a szükséges mérési felbontás biztosítása érdekében nagyobb frekvencián, jellemzően 200 kHz felett működnek.

Egy jellegzetes áramlásmérési felhasználásban két érzékelőt helyeznek el egymástól ismert távolságra. Az áramlási sebesség ezután kiszámítható a távolság és a jeláthaladási idők alapján, amelyek alatt az ultrahang mindkét irányban eljut egyik jelátalakítótól a másikig, ugyanis a mozgó folyadék vagy gáz az ultrahang-energiát eltérő sebességgel továbbítja a két irányban.

A mért időkülönbség egyenesen arányos a csőben áramló folyadék vagy gáz sebességével. Az áramlási sebesség (V_f) meghatározása a V_f = K × Δt/T_L egyenlettel kezdődik, ahol a K a használt térfogat- és időegységek kalibrációs tényezője, a Δt az áramlással azonos irányban, illetve az áramlással szemben haladó jel áthaladási ideje közötti különbség, a T_L pedig az áthaladási idő áramlásmentes állapotban.

Ezt az alapegyenletet különböző kompenzációs és korrekciós tényezőkkel egészítik ki, hogy figyelembe vegyék többek között a folyadék hőmérsékletét, valamint a jelátalakítók és a cső közötti szöget. A gyakorlatban az ultrahangos áramlásmérőkhöz valós „hardverre” és szerelvényekre van szükség (6. ábra).

6. ábra: Egy áthaladási időt mérő tényleges ultrahangos áramlásmérőhöz különböző szerelvényekre és csatlakozókra van szükség. Figyelje meg, hogy két ultrahangos jelátalakító (ultrasonic transducer) van a képen (kép: Circuit Digest)

Az áthaladási időt mérő áramlásmérők jól működnek viszkózus folyadékokkal is, feltéve, hogy a legkisebb áramlásnál a Reynolds-szám 4000-nél kisebb (lamináris áramlás) vagy 10 000-nél nagyobb (turbulens áramlás), viszont a kettő közötti átmeneti tartományban jelentős nemlinearitások vannak. A kőolajiparban a nyersolajok áramlásának mérésére használják ezeket az eszközöket, de széles körben használják őket kriogén (hideg) folyadékok mérésére is –300 °C-ig, valamint olvadt fémek áramlásának mérésére – hogy a két szélsőséges hőmérsékletet említsük.

A PUI olyan ultrahangos jelátalakítókat kínál, amelyeket kifejezetten az áthaladási időt mérő folyadékáramlás-mérő készülékekbe terveztek. Az UTR-18225K-TT 225 kHz ±15 kHz-en működik, és az ehhez a felhasználási területhez szükséges keskeny, mindössze ±15°-os sugárzási szöge van. Ez az adó-vevő jelátalakító 18 mm átmérőjű, 9 mm magas és 2200 pF kapacitású. 12 V_p-p amplitúdójú négyszöghullám-sorozattal hajtható meg, de rövid munkaciklusok esetén akár 100 V_p-p amplitúdójúval is meghajtható.

Meghajtó és jelformáló áramkörökre is szükség van

Az ultrahangos érzékelőrendszert nem pusztán a piezoelektromos jelátalakítók alkotják. A felhasználási területnek megfelelő és nagyon eltérő áramkörökre van szükség a jelátalakító meghajtási követelményeinek teljesítéséhez adás üzemmódban, és alacsony szintű analóg bemeneti (AFE, analog front-end) áramkörre a jelformáláshoz vételi üzemmódban. Bár egyes felhasználók saját áramkört építenek, kaphatóak olyan IC-k, amelyek kényelmesen biztosítják az alapvető meghajtó és analóg bemeneti áramköri funkciókat, valamint egyéb funkciókat is.

A Texas Instruments PGA460 például egy 5,00 mm × 4,40 mm-es, 16 lábú IC, amelyet olyan jelátalakítókkal való használatra terveztek, mint a PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz-es ultrahang adó-vevő. Ez a nagy integráltsági fokú rendszerszintű IC tartalmaz egy lapkán belüli ultrahangos jelátalakító-meghajtót és jelformálót, valamint egy fejlett digitális jelfeldolgozó (DSP) processzormagot (7. ábra).

7. ábra: A PGA460 teljes illesztőfelületet kínál az ultrahangos jelátalakító adás és vétel funkciójához is. Tartalmaz egy nagy teljesítményű meghajtóáramkört, egy analóg bemeneti áramkört és a kapcsolódó algoritmusok futtatásához egy digitális jelfeldolgozó processzormagot (ábra: Texas Instruments)

A PGA460 tartalmaz egy alacsonyoldali komplementer meghajtópárt, amely képes meghajtani az átalakítót a nagyobb meghajtófeszültségek érdekében transzformátoralapú áramkörben egy feszültségnövelő transzformátort használva, vagy a kisebb meghajtófeszültségek érdekében közvetlen meghajtású áramkörben külső magasoldali FET-eket használva. Az analóg bemeneti áramkör (AFE) egy kis zajú erősítőből (LNA, low-noise amplifier) áll, amelyet egy programozható, időben változó erősítésű fokozat követ, annak jele pedig egy analóg-digitális átalakítóba (ADC) jut. A digitalizált jelet a digitális jelfeldolgozó processzormag dolgozza fel időben változó küszöbértékek használatával, hogy a rendszer észlelje a közeli és a távoli objektumokat is.

A PGA460 által kínált időben változó erősítés egy olyan funkció, amelyet gyakran használnak ultrahangos jelátalakítóknál, úgy alapszintű objektumészleléshez, mint fejlett gyógyászati képalkotó rendszerekhez. Ez segít leküzdeni az akusztikus jel energiájának a közegben való terjedés során elkerülhetetlen, de előre ismert mértékű csillapítását.

Mivel a csillapítási tényező és a terjedési sebesség egyaránt ismert, az elkerülhetetlen veszteséget az analóg bemeneti áramkör erősítésének az idő függvényében történő növelésével lehet kompenzálni, ami hatékonyan iktatja ki a távolság függvényében fellépő csillapítás hatását. Ennek eredményeként a rendszer jel–zaj viszonya (SNR, signal-to-noise ratio) az érzékelési távolságtól függetlenül felvesz egy maximális értéket, és a rendszer a fogadott jelek szélesebb dinamikatartományát tudja kezelni.

Ezen jeladók használatának mélyebb megismeréséhez a Texas Instruments a PGA460PSM-EVM fejlesztőmodult kínálja, amely képes együttműködni a PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz-es ultrahang adó-vevővel (8. ábra).

8. ábra: A PGA460PSM-EVM fejlesztőmodul a PGA460-ra épül, és megkönnyíti a PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz-es ultrahang adó-vevőt használó ultrahangos rendszer működésének megismerését (kép: Texas Instruments)

A modul működéséhez mindössze néhány külső alkatrészre és egy tápegységre van szükség (9. ábra). A modul számítógépes grafikus felhasználói felületről (GUI) kapott parancsokkal vezérelhető, és az adatokat erre a felületre küldi vissza megjelenítésre és további elemzésre. A fejlesztőmodul az alapszintű funkciók és a működési paraméterek beállítása mellett lehetővé teszi a felhasználók számára az ultrahangos visszhangprofil és a mérési eredmények megjelenítését is.

9. ábra: A PGA460PSM-EVM fejlesztőmodul grafikus felhasználói felületű számítógéphez csatlakozik, ami lehetővé teszi a felhasználók számára többek között a jelátalakító működtetését és vezérlését, valamint a kritikus hullámformák megtekintését (ábra: Texas Instruments)

Összegzés

A piezoelektromos ultrahangos jelátalakítók kényelmes és hatékony módot kínálnak a közeli objektumok észlelésére és akár a távolságuk megmérésére is. Megbízhatóak, egyszerűen használhatóak, és segítenek a tervezőknek elkerülni a rádiófrekvenciás spektrumra, illetve az elektromágneses és rádiófrekvenciás zavarásra vonatkozó szabályozásokkal kapcsolatos problémákat. A folyadékok áramlási sebességének érintkezésmentes mérésére is használhatóak. A fejlesztőkészlettel támogatott, mind az adás, mind a vétel funkcióhoz használható illesztő IC-k leegyszerűsítik a jelátalakítók rendszerbe építését, miközben rugalmasságot kínálnak a jelátalakítók működési paramétereinek beállítása terén.