Die Evolution der Ultraschalltechnologie für intelligentere Durchflussmessung

- Feb 12, 2019-

In den Industriemärkten spielen Halbleiterchipsätze eine große Rolle bei der Umwandlung mechanischer Geräte in elektromechanische oder rein elektronische Geräte. Jedes Marktsegment ist in viele Anwendungen unterteilt, und die Siliziumhersteller verbringen viel Zeit damit, anwendungsspezifische Produkte zu entwickeln.

Technologische Weiterentwicklungen für jede Anwendung umfassen normalerweise mehrere kleinere Weiterentwicklungen, die entweder nacheinander oder parallel erfolgen. Beispielsweise erfordert die Automatisierung einer Anwendung typischerweise das Erfassen eines oder mehrerer Parameter, gefolgt von einer Verarbeitung, die zur Steuerung und / oder Kommunikation führt. Technologisch fortschrittliche Sensoren führen zu verbesserten Geldspezifikationen wie höherer Leistung, geringerer Größe, geringerer Leistung, geringeren Kosten und höherer Effizienz der gesamten Anwendung. Ähnliche Fortschritte bei der Verarbeitung, der Art der Kontrolle und der Kommunikation mit der Außenwelt werden diese Geldspezifikationen weiter verbessern.

Die Bemühungen, das Energienetz zu modernisieren, um es effizienter, robuster und sicherer zu machen, haben zu einer enormen Zunahme des Einsatzes von Elektronik geführt, wodurch sich Möglichkeiten für Innovationen, die Erhöhung der Funktionalität und die Reduzierung von Größe und Kosten eröffnen. Die Energieeinsparungsbewegung fordert die Integration des konventionellen Netzes in das verteilte Netz, um das angeschlossene Netz zu bilden. Intelligente Zähler sind ein wesentlicher Bestandteil des Strom- und Energiesektors. Der weltweite Gesamtflächenmarkt für Halbleiter beläuft sich auf über 2 Milliarden US-Dollar. Intelligente Zähler werden weiter in Strom-, Wasser-, Gas- und Wärmezähler unterteilt.

Ultraschall oder Ultraschalltechnologie wird seit über 100 Jahren in verschiedenen zivilen, medizinischen und militärischen Anwendungen eingesetzt. Fast jeder hat in seinem Leben medizinische Ultraschalltechnologie erlebt; Die jüngsten Anwendungsfälle betrafen jedoch die Automatisierung für den Industrie- und Automobilmarkt. Es ist erstaunlich zu sehen, dass diese Technologie in einer Vielzahl von Anwendungen ihren Platz findet. Die nicht-invasiven (nicht-korrosiven) und berührungslosen Eigenschaften der Ultraschalltechnologie machen sie zu einem idealen Kandidaten für medizinische, pharmazeutische, militärische und werkseitige Anwendungen.

In den Bereichen Industrie und Automobil finden Sie Ultraschalltechnologien zur Entfernungsmessung, Belegungserkennung, Grenzstanderfassung, Zusammensetzungsanalyse, Durchflussmessung, Parkassistenz, Landeassistenz und Kofferraumöffnungsassistenz. Ultraschallsensoren, auch Ultraschallwandler genannt, arbeiten außerhalb der für Menschen hörbaren Frequenzen und die Frequenzen liegen zwischen 20 Kilohertz und einigen Megahertz.

Ein Großteil der Ultraschallwandler besteht aus einem piezoelektrischen Material, das bei elektrischen Impulsen auf mechanische Schwingungen oder Ultraschall reagiert. Einige Wandler sind auch in der Lage, mechanische Schwingungen wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Wandler werden grob in drei Typen eingeteilt:

- Sender wandeln elektrische Signale in Ultraschall um.

- Empfänger wandeln Ultraschall in elektrische Signale um.

- Transceiver können sowohl Ultraschall senden als auch empfangen.

Die Nachverarbeitung der empfangenen elektrischen Signale führt zu verschiedenen Größen, die für jede industrielle oder automobiltechnische Anwendung relevant sind. Die häufigste und wichtigste Größe ist die Ultraschall-Flugzeit (TOF). Hierbei handelt es sich um eine Umlaufzeitschätzung einer Ultraschallwelle, die von einem Sensor zu einem Zielobjekt gesendet und dann vom Objekt zurück zum Sensor reflektiert wird. Dies ist das Antriebsprinzip für den Einsatz von Ultraschalltechnologie in intelligenten Zählern zur Messung der Durchflussraten von Wasser, Gas oder Wärme (entweder intrusiv oder nichtintrusiv) und zur Ableitung von Verbrauchsdaten zur Abrechnung von Verbrauchern.

Die Durchflussmessung ist die Quantifizierung (Volumen) des Durchflusses oder der Durchflussrate für eine Flüssigkeit oder ein Gas, gemessen in Einheiten ähnlich Litern pro Minute (oder Sekunde oder Stunde) oder Quadratmetern pro Sekunde. Durchflussmesser reichen von einfachen Verbrauchsmessgeräten (Gas, Wasser, Wärme) für Privathaushalte bis hin zu Industriemessgeräten oder Mischern für gefährliche Flüssigkeiten oder Gase (Erdöl, Bergbau, Abwasserbehandlung, Farben, Chemikalien).

Architektonisch umfasst ein Durchflussmesser eine Sensoreinheit, eine Messeinheit und eine Steuer- / Kommunikationseinheit. Jede dieser Einheiten kann weiter als mechanisch oder elektronisch klassifiziert werden. Abbildung 1 vergleicht die verschiedenen Arten von Durchflussmessertechnologien, die eine Sensoreinheit bilden. Durchflussmesser vom Ultraschalltyp haben mehrere Vorteile.

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Abbildung 1 Vergleich der Messmethoden für den Flüssigkeits- oder Gasfluss

TOF-basierte oder Ultraschall-Messgeräte messen Durchflussraten, indem sie die Zeitdifferenz (die Laufzeitverzögerung) von gesendeten und empfangenen Ultraschallsignalen berechnen. Um dies auf die Durchflussmessung anzuwenden, verwenden Entwickler ein Paar identischer Transceiver-Wandler und erregen sie in Aufwärts- und Abwärtsrichtung. Eine Ultraschallwelle breitet sich schneller aus, wenn sie sich in strömungsähnlicher Richtung und langsamer gegen die Strömung bewegt. Daher benötigen wir mindestens ein Paar Wandler. Einige Topologien verwenden jedoch mehr als zwei Wandler.

Abbildung 2 zeigt ein typisches Konzept für die Ultraschall-Durchflussmessung mit Optionen für die Platzierung von Wandlern in einem Rohr.

Die Auswahl der Ultraschallsensoren hängt von der Art des Mediums ab, das eine Durchflussmessung benötigt. Bei der Flüssigkeitsmessung werden normalerweise Sensoren verwendet, die im Frequenzspektrum höher liegen (> 1 MHz), während bei gasförmigen Medien Sensoren im unteren Bereich des Frequenzspektrums (<500 khz)="" verwendet=""> Darüber hinaus erfordert die Ultraschalltechnologie zur Durchflussmessung einen direkten Weg zwischen zwei beliebigen Messwandlern, was eine sorgfältige mechanische Konstruktion des Durchflussrohrs erfordert, in dem die Messwandler untergebracht sind. Die Ultraschalltechnologie funktioniert nicht bei Vorhandensein von Luftblasen, was zu einer erheblichen Dämpfung des Ultraschallsignals führen kann.

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Abbildung 2 Beispiele für die Ultraschallmessung bei Durchflussmessern und allgemeine Topologien für die Positionierung in einem Rohr


Ressource: https://www.edn.com/design/analog/4461515/Die-Evolution-der- Ultraschalltechnologie-für- Schneller- Durchflussmessung