Ultraääniantureiden käytön perusteet kappaleiden tunnistuksessa ja nestevirtauksen mittauksessa

Esineiden Internetin ja tekoälyn yleistymisen myötä reunasovelluksista halutaan jatkuvasti tehdä älykkäämpiä ja tietoisempia ympäristöstään. Näin ollen suunnittelijoiden on arvioitava tarvittavia tunnistinvaihtoehtoja, joista monissa käytetään vakiintuneita teknologioita monimutkaisuuden vähentämiseksi. Esimerkiksi ultraäänienergiaa käytetään laajalti lähellä olevien kappaleiden havaitsemiseen, etäisyyden mittaamiseen ja nestevirtausmäärien mittaukseen.

Ultraäänen hyötyjä ovat muun muassa seuraavat: se on suhteellisen helppokäyttöinen, tarkka, tarjoaa minimaaliset turvallisuusriskit, vähän lainsäädännöllisiä rajoituksia, ei radiotaajuuksien varaustarvetta sekä minimaaliset ongelmat sähkömagneettisten häiriöiden (Electromagnetic Interference, EMI) ja radiotaajuushäiriöiden (Radio Frequency Interference, RFI) kanssa.

Vaikka ultraäänitunnistus on menetelmänä hyvin vakiintunut, sen täysien hyötyjen saamiseksi suunnittelijoiden on ymmärrettävä hyvin sen toimintaperiaatteet, komponenttien saatavuus ja siihen liittyvät virtapiirejä koskevat vaatimukset. Heidän tulee myös huomioida arkkitehtuuriset suunnittelutekijät, kuten valinta eri paikkoihin sijoitettavien erillisten lähetys- ja vastaanotinyksiköiden sekä yhdistettyjen lähetin-vastaanottimien välillä. On myös käytettävä sopivaa elektroniikkaohjainta ja vastaanotinta, jotka toimivat optimaalisella taajuudella sijainnin ja nestevirran havaitsemiseksi.

Tässä artikkelissa esitellään ultraäänianturien ja niiden käytön perusteet kappaleiden ja virtojen havaitsemiseksi. Esimerkkeinä käsitellään PUI Audion ultraäänilaitteita sekä sovelluskehitykseen sopivaa ohjainpiiriä ja kehitysalustaa.

Luonnosta opittu yksinkertainen periaate

Ultraäänipaikannus on sofistikoituneempi versio eläinten, kuten delfiinien ja lepakoiden, käyttämästä kaikuluotaamisesta (kuva 1).

Kuva 1: Sähköinen äänipaikannus perustuu kaikuluotaukseen, jota esimerkiksi lepakot käyttävät tehokkaasti. (Kuvan lähde: Wikipedia)

Laite toimii tyypillisesti siten, että pietsosähköinen anturi luo lyhyen äänienergiapulssin. Pulssin päättyessä järjestelmä kytkeytyy vastaanottotilaan ja odottaa heijastuneen pulssin kaiun saapumista. Kun lähetetty äänienergia kohtaa impedanssimuutoksen esimerkiksi ilman ja kiinteän kappaleen välillä, osa energiasta heijastuu takaisin, minkä voi sitten havaita tyypillisesti pietsosähköisellä laitteella.

Akustinen impedanssi riippuu materiaalien tiheydestä ja niiden läpi kulkevan äänen nopeudesta. On tärkeää määrittää kahden akustiselta impedanssiltaan erilaisen materiaalin rajalla tapahtuvan heijastumisen määrä.

Heijastuvan energian määrä riippuu materiaalin tyypistä ja absorptiokertoimesta sekä eri materiaalien raja-alueen impedanssierosta. Kovat materiaalit, kuten kivi, tiili ja metalli, heijastavat enemmän kuin pehmeät materiaalit, kuten kankaat ja tyynyt.

Ilman akustinen impedanssi on neljä suuruusluokkaa pienempi kuin useimpien nesteiden ja kiinteiden aineiden. Näin ollen suurin osa ultraäänienergiasta heijastuu takaisin anturiin heijastuskerrointen suuren eron seurauksena. Akustisen kaikupinta-alan määrittää kohdekappaleen materiaali ja koko, ja se on mitta-arvona verrattavissa tutkan kaikupinta-alaan.

Tämä tunnistustekniikka ja etäisyysmittaus muistuttaa sitä, mitä tapahtuu, kun tutkan RF-energia tai valotutkan optinen energia kohtaa impedanssimuutoksen ja osa energiasta heijastuu takaisin lähettävään laitteeseen. Vaikka pääkonsepti onkin sama, suurena erona on huomioitava, että ultraäänienergia ei ole sähkömagneettista energiaa. Sen taajuusspektrin käyttöä ei ole säännelty, ja sitä koskevia rajoituksia on hyvin vähän. Yksi tällainen rajoitus koskee liiallista äänenpainetasoa (Sound Pressure Level, SPL), mikä ei ole ongelma mittaus- ja paikannussovelluksissa, sillä nämä laitteet toimivat yleensä melko alhaisilla tehotasoilla.

Johtumis- ja materiaalitekijät

Toinen suuri ero on, että ultraäänimittausta ja -paikannusta voi käyttää ainoastaan väliaineen, kuten ilman, muiden kaasujen tai nesteiden, kanssa. Akustisen energian vaimennus- ja johtumisominaisuudet erilaisissa väliaineissa ovat käänteisiä radiotaajuusenergiaan ja optiseen energiaan nähden. Nesteet johtavat akustista energiaa hyvin, toisin kuin radiotaajuusenergiaa. Myös optinen energia vaimentuu huomattavasti useimmissa nesteissä. Sen sijaan akustisesta energiasta poiketen radiotaajuusenergia ja optinen energia eivät juurikaan vaimennu tyhjiössä.

Yksinkertaisimmassa toteutuksessa ultraäänijärjestelmää käytetään vain kappaleen tai henkilön läsnäolon tunnistamiseen tietyllä alueella. Tämä perustuu riittävän voimakkaaseen paluusignaaliin. Jos prosessiin lisätään ajan mittaus, myös etäisyys kohteeseen voidaan määrittää.

Kehittyneemmissä järjestelmissä, joissa tulee myös laskea etäisyys kohteeseen, voidaan hyödyntää yksinkertaista yhtälöä: etäisyys = ½ (nopeus × aika), missä käytetään lähetyksen ja kaiun vastaanottamisen välistä aikaa ja äänen nopeutta ilmassa, mikä on noin 343 metriä sekunnissa lämpötilassa +20 °C. Jos väliaine on neste tai jokin muu kaasu kuin ilma, laskennassa täytyy käyttää sitä vastaavaa nopeusarvoa.

On myös huomioitava, että äänen nopeus ilmassa vaihtelee hieman lämpötilan ja kosteuden mukaan. Näin ollen huipputarkka etäisyystunnistus vaatii, että yksi tai kumpikin näistä tekijöistä tunnetaan, ja yhtälöön on lisättävä korjauskerroin.

Tämä negatiivinen tekijä on eräissä edistyneissä lämpötilamittausjärjestelmissä onnistuttu kääntämään positiiviseksi. Näissä hyödynnetään sitä, että äänen nopeus muuttuu välitysaineessa lämpötilan muuttuessa. Näissä järjestelmillä lämpötilaa mitataan mittaamalla ultraäänipulssin paluuheijastus tunnetulla etäisyydellä erittäin tarkasti. Tämän jälkeen voidaan tehdä käänteinen korjaus ja määrittää lämpötila, joka aiheuttaa välitysnopeudessa mitatun muutoksen.

Prosessin aloittaminen anturiparametrien avulla

Kun sovelluksen vaatimukset on määritetty, suunnittelijoiden on valittava oikealla taajuudella toimiva sopiva ääniohjain ja vastaanotin. Taajuus on mittaus- ja paikantamissovelluksissa tyypillisesti suhteellisen korkea 40 kilohertsiä ja nestevirran mittaussovelluksissa useita satoja kilohertsejä. Korkeataajuisten anturien hyötyihin kuuluvat parempi tarkkuus ja suuntaavuus (eteenpäin osoittava keilakuvio), mutta signaalipolulla tapahtuu enemmän vaimennusta.

Ultraäänienergian hajautumis- ja imeytymisnopeus sen kulkiessa ilmassa kasvaa taajuuden kasvaessa. Näin ollen muiden tekijöiden pysyessä vakiona suurin havaittavissa oleva etäisyys pienenee. Tämä 40 kilohertsin taajuus on kompromissi eri tekijöiden välillä, kuten tehokkuus, vaimennus, tarkkuus ja fyysinen koko, jotka kaikki liittyvät aallonpituuteen.

Valintaprosessin aloittamiseksi on hyvä tietää, että ultraäänitunnistukseen käytettyihin antureihin liittyy useita korkean tason parametreja. Näihin kuuluvat seuraavat:

• Toimintataajuus, toleranssi ja kaistanleveys: Kuten aiemmin todettiin, 40 kilohertsiä on tavanomaisesti käytetty taajuus useissa perussovelluksissa. Toleranssi ja kaistanleveys ovat tyypillisesti useita kilohertsejä.
• Käyttöjännitetaso: Jännite, jolla anturin suorituskyky on optimaalinen. Se voi vaihdella muutamasta kymmenestä voltista 100 volttiin tai se voi olla enemmänkin.
• SPL: Tämä määrittelee äänitehon suuruusluokan määritellyllä käyttötasolla. Se voi helposti olla 100 desibeliä tai enemmän. Korkeampi SPL-arvo mahdollistaa pidemmät mittausetäisyydet (tyypillisen ultraäänisovelluksen enimmäiskantama on kymmeniä jalkoja).
• Vastaanottimen herkkyys: Tämä mittaa pietsosähköisen anturin lähtöjännitettä tietyllä SPL-arvolla. Mitä korkeampi tämä arvo on, sitä helpompi on välttää järjestelmän kohinaa ja saada tarkempi lukema.
• Suuntaavuus: Tämä mittaa lähettimen keilan leveyttä sekä kulma-aluetta, jolla vastaanotin on herkimmillään. Tyypilliset arvot ovat 40 kilohertsillä välillä 60°–80°, joka mitataan yleensä määrittämällä kulma, jolla vaste on 6 dB pienempi kuin 0 asteen kulmalla saatu vaste.

Antureiden sijoittaminen

Yksi anturin valintatekijöistä on havaittavan kappaleen suhteellinen sijainti ja suuntaus. Jos kappale on suoraan lähteen edessä ja kokonaan tai osittain suorassa kulmassa energiankulkuun nähden, osa törmäysenergiasta heijastuu suoraan takaisin lähteeseen.

Tässä tilanteessa yhden anturin käyttö sekä lähetykseen että vastaanottoon (monostaattinen kokoonpano) voi yksinkertaistaa fyysistä ratkaisua sekä vähentää tilantarvetta ja anturikustannuksia (kuva 2).

Kuva 2: Monostaattisessa kokoonpanossa yhtä anturia käytetään sekä lähetykseen että vastaanottoon. (Kuvan lähde: Science and Education Publishing Co.)

PUI Audion 40 kilohertsin ultraäänilähetin-vastaanotin UTR-1440K-TT-R (kuva 3) sopii tällaiseen konfiguraatioon. Sen halkaisija on vain 14,4 mm ja korkeus 9 mm. Se on suunniteltu toimimaan AC-käyttöjännitteellä 140 V huipusta huippuun (V_p-p), ja sen ohjaimeen kohdistama nimelliskuorma on 1800 pikofaradia (pF). Sen kaikuherkkyys on parempi kuin 200 millivolttia ja suunnattavuus 70°±15°.

Kuva 3: UTR-1440K-TT-R on 40 kilohertsin perustason ultraäänilähetin-vastaanotin, jossa lähetin ja vastaanotin on koottu samaan koteloon. (Kuvan lähde: PUI Audio)

Joissain tapauksissa lähetin ja vastaanotin ovat erillisiä komponentteja mutta toisiinsa nähden vieretysten. Tätä kutsutaan rinnakkaiseksi kokoonpanoksi (kuva 4).

Kuva 4: Kuva: Rinnakkaisessa kokoonpanossa ultraäänilähde ja vastaanotin ovat vieretysten. (Kuvan lähde: Science and Education Publishing Co.)

Toinen vaihtoehto on erottaa nämä elementit toisistaan ja suunnata ne eri tavoin, jos havaittava kappale ei ole kohtisuorassa. Tätä sanotaan bistaattiseksi konfiguraatioksi. Tällöin törmäysenergia enemmänkin kimpoaa kappaleesta kuin heijastuu takaisin lähteeseen. Erilliset laitteet tarjoavat myös joustavuutta sovellukseen sopivien komponenttien valintaan. Tämä myös mahdollistaa ohjauspiirin virransyötön joustavamman suunnittelun, sillä se ei sijaitse vastaanottimen herkkien analogipiirien lähellä.

Tällaisissa tilanteissa hyvä yhdistelmä voi olla esimerkiksi 40 kilohertsin UT-1640K-TT-2-R-ultraäänilähetin ja UR-1640K-TT-2-R-ultraäänivastaanotin. Lähettimen korkeus on 12 mm ja halkaisija 16 mm. Se vaatii ohjaimen jännitearvolla 20 V_RMS ja tuottaa 115 dB:n SPL-arvon 2100 pF:n nimelliskapasitanssilla sekä keilan 80 asteen suuntaavuudella. Parina toimivalla vastaanottimella on sama ulkomuoto, mitat, suuntaavuus ja kapasitanssi kuin lähettimellä (kuva 5).

Kuva 5: UT-1640K-TT-2-R-ultraäänilähetin ja UR-1640K-TT-2-R-ultraäänivastaanotin tarjoavat toisiaan täydentävät ominaisuudet, ja niillä on sama laitemuoto ja mitat. (Kuvan lähde: PUI Audio)

Nestevirtauksen mittaus

Ultraääniantureita käytetään kappaleiden havaitsemisen lisäksi neste- ja kaasuvirtojen ei-invasiiviseen mittaamiseen ilman kosketusta. Näissä sovelluksissa anturit toimivat korkeammilla noin 200 kilohertsin taajuuksilla, mikä mahdollistaa tarvittavan tarkkuuden.

Tyypillisessä virtaussovelluksessa kaksi anturia asetetaan tunnetulle etäisyydelle toisistaan. Kun etäisyys ja äänen kulkuaika kahden anturin välillä kumpaankin suuntaan tunnetaan, virtausnopeuden voi laskea sen perusteella, että ultraäänienergian nopeus liikkuvassa nesteessä riippuu virtaussuunnasta.

Tämä aikaero on suoraan verrannollinen putkessa kulkevan nesteen tai kaasun nopeuteen. Virtausnopeuden (V_f) määrittäminen alkaa seuraavalla yhtälöllä: V_f = K × Δt/T_L, missä K on tilavuuden ja käytettyjen aikayksiköiden kalibrointikerroin, Δt on eri suuntaisten kulkuaikojen erotus ja T_L on kulkuaika ilman virtausta.

Perusyhtälöön lisätään erilaisia kompensointi- ja korjauskertoimia muun muassa nesteen lämpötilan sekä antureiden ja putken välisen kulman mukaan. Käytännössä ultraäänivirtausanturi vaatii tuekseen laitteita ja putkiliittimiä (kuva 6).

Kuva 6: Kulkuajan ultraäänivirtausanturi vaatii toimiakseen erilaisia laitteita ja putkiliittimiä. Huomaa kaksi erillistä ultraäänianturia. (Kuvan lähde: Circuit Digest)

Kulkuajan virtausanturit toimivat hyvin viskoosisten nesteiden kanssa, kunhan minimivirran Reynoldsin luku on joko alle 4 000 (laminaarivirtaus) tai yli 10 000 (pyörteinen virtaus), mutta näiden välisellä alueella esiintyy merkittäviä epälineaarisuuksia. Niitä käytetään öljyteollisuudessa raakaöljyn virtausmittaukseen ja äärimmäisissä lämpötiloissa sekä −300 °C:n kryogeenisten nesteiden että sulaneen metallin virtausmittauksiin.

PUI tarjoaa erityisesti nestevirtaussovelluksiin suunniteltuja ultraääniantureita. UTR-18225K-TT toimii taajuudella 225±15 kHz, ja se tarjoaa tällaisessa sovelluksessa tarvittavan kapean keilakulman ±15°. Tämän lähetin-vastaanottimen halkaisija on 18 mm, korkeus 9 mm ja kapasitanssi 2200 pF. Sitä voi ohjata 12 V_p-p:n kanttiaalloilla ja jopa 100 V_p-p:n jännitearvolla matalalla käyttöjaksolla.

Ohjaus- ja signaalinkäsittelypiirit

Ultraäänipaikannusjärjestelmään kuuluu muutakin kuin vain pietsosähköiset anturit. Lähetystilan ohjausvaatimukset ja vastaanottotilan analogisen etuasteen (Analog Front-End, AFE) matalan tason signaalinkäsittely edellyttävät kumpikin erilaisia toisistaan poikkeavia piirejä. Jotkut käyttäjät rakentavat omat piirinsä, mutta saatavilla on myös käteviä valmiita piirejä, jotka tarjoavat perustason ohjaus- ja AFE-toiminnot sekä lisäominaisuuksia.

Esimerkiksi Texas Instrumentsin PGA460 on 5,00 × 4,40 mm:n 16-jalkainen piiri, joka on suunniteltu käyttöön esimerkiksi PUI Audion 40 kilohertsin UTR-1440K-TT-R 40 -ultraäänilähetin-vastaanottimen kanssa. Tämä erittäin integroitu järjestelmätason piiri sisältää ultraäänianturin ohjaimen ja signaalinkäsittelyn sekä edistyneen DSP-ytimen (Digital Signal Processor) (kuva 7).

Kuva 7: PGA460 tarjoaa kattavan rajapinnan ultraäänianturin lähetys- ja vastaanottotoiminnoille. Se sisältää virtaohjauspiirit, analogisen etuasteen ja DSP-ytimen tarvittavien algoritmien suorittamiseen. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

PGA460 tarjoaa toisiaan täydentävän matalan puolen ohjainparin, jolla anturia voi ohjata joko muuntajapohjaisella topologialla korkeammilla ohjausjännitteillä jännitteennostomuuntajan avulla tai suoraohjaustopologialla käyttämällä ulkoisia yläpuolen FET-transistoreita matalammilla ohjausjännitteillä. Analoginen etuaste koostuu matalakohinaisesta vahvistimesta (Low-Noise Amplifier, LNA) ja ohjelmoitavasta ajallisesti muuttuvasta vahvistusasteesta, joka syöttää analogi-digitaalimuunninta (Analog-to-Digital Converter, ADC). Digitoitua signaalia käsitellään sitten DSP-ytimessä lähi- ja kaukoalueen kappaleiden havaitsemiseksi ajallisesti muuttuvien kynnysarvojen avulla.

PGA460-piirin tarjoama ajallisesti muuttuva vahvistus on ultraääniantureissa usein käytetty ominaisuus sekä perustason kappaleiden havaitsemisessa että edistyneissä lääkinnällisissä kuvantamisjärjestelmissä. Se auttaa kompensoimaan väistämättömän mutta ennalta tunnetun väliaineessa kulkevan äänienergian vaimennuskertoimen.

Koska tämä vaimennus ja välitysnopeus tunnetaan, häviön voi kompensoida korottamalla analogisen etuasteen vahvistusta ajan funktiona. Näin ollen signaali-kohinasuhde (Signal-to-Noise Ratio, SNR) voidaan maksimoida tunnistusetäisyydestä riippumatta ja järjestelmä voi vastaanottaa signaaleita suuremmalla dynaamisella alueella.

Texas Instruments tarjoaa näiden antureiden ominaisuuksiin tutustumista varten PGA460PSM-EVM-arviointimoduulin, jota voidaan käyttää PUI Audion 40 kilohertsin UTR-1440K-TT-R-ultraäänilähetin-vastaanottimen kanssa (kuva 8).

Kuva 8: PGA460-piiriin pohjautuva PGA460PSM-EVM-arviointimoduuli yksinkertaistaa ultraäänijärjestelmän toimintaan tutustumista PUI Audion 40 kilohertsin UTR-1440K-TT-R-ultraäänilähetin-vastaanottimen avulla. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Tämä moduuli vaatii toimiakseen vain muutamia ulkoisia komponentteja ja virtalähteen (kuva 9). Sitä ohjataan PC-pohjaisella graafisella käyttöliittymällä, johon se lähettää tietonsa esittämistä ja analyysia varten. Perustoimintojen ja toimintaparametrien asettamisen lisäksi se mahdollistaa ultraäänikaikuprofiilin ja mittaustulosten näyttämisen.

Kuva 9: PGA460PSM-EVM-arviointimoduuli yhdistetään PC-pohjaiseen graafiseen käyttöliittymään, jolla voi käyttää ja ohjata anturia, nähdä kriittiset aaltomuodot sekä suorittaa muita toimintoja. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Yhteenveto

Pietsosähköiset ultraäänianturit tarjoavat kätevän ja tehokkaan tavan lähellä sijaitsevien kappaleiden tunnistamiseen ja etäisyyden mittaamiseen. Ne ovat luotettavia ja helppokäyttöisiä sekä auttavat suunnittelijoita välttämään RF-taajuusspektreihin ja EMI-/RFI-häiriöihin liittyvät lainsäädännölliset pulmat. Niitä voidaan käyttää myös nesteen virtausnopeuksien mittaamiseen ilman kosketusta. Lähetys- ja vastaanottotoiminnot sisältävät rajapintamikropiirit ja arviointisarja helpottavat anturien integrointia järjestelmään sekä mahdollistavat toimintaparametrien monipuoliset säädöt.