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Tecnologia di rilevamento ad ultrasuoni per la misurazione della portata


Ultrasuoni-apertura-420x236 Tecnologia di rilevamento ad ultrasuoni per la misurazione della portata

Il rilevamento ultrasonico utilizza il tempo di volo (TOF, Time of Flight) di un’onda ultrasonica e la sua dipendenza dalla portata del fluido per misurare e calcolare la portata volumetrica, utilizzando la differenza nel tempo di propagazione dell’onda ultrasonica quando viene trasmessa nella direzione del flusso e contro la direzione del flusso. Questa tecnologia è eccezionale per misurare le portate in una vasta gamma di applicazioni e funziona sia con liquidi come acqua e olio sia con gas come aria e metano.

I misuratori a ultrasuoni basati sul TOF misurano le portate in base alla differenza nel tempo di propagazione dei segnali ultrasonici nelle direzioni a monte e a valle. L’onda ad ultrasuoni viaggia più velocemente quando segue la direzione del flusso e più lentamente quando va contro il flusso. Questa tecnologia funziona indipendentemente dal fatto che le coppie di trasduttori si trovino all’interno di un tubo o fissate all’esterno di un tubo. Questo approccio richiede un percorso diretto tra i due trasduttori, rendendo necessaria un’attenta costruzione meccanica del tubo di flusso in cui sono alloggiati i trasduttori. La tecnologia non funziona in presenza di bolle d’aria, che portano ad una significativa attenuazione del segnale a ultrasuoni. Poiché la velocità di propagazione di un’onda ultrasonica varia tra un singolo fluido o una composizione di più fluidi in una miscela, la tecnologia ad ultrasuoni basata sul TOF può essere utilizzata anche per l’analisi della composizione del materiale.

Configurazioni del misuratore di portata ad ultrasuoni

I misuratori di portata ad ultrasuoni basati sul TOF hanno due tipi di costruzione: in linea o con fissaggio sul tubo. Nella versione in linea si tratta di misuratori di portata intrusivi in cui i trasduttori vengono installati all’interno dei tubi di flusso e vengono a contatto con il liquido; i misuratori di portata fissaggio sul tubo non sono intrusivi in quanto installano i trasduttori sulla superficie del tubo e rilevano l’onda sonora che attraversa il tubo.

I misuratori di portata in linea possono essere diagonali e fornire ai trasduttori una linea visuale diretta, come mostrato in Figura 1 oppure possono essere riflettenti, nel cui caso l’onda sonora di un trasduttore trasmittente raggiunge un secondo trasduttore solo dopo la riflessione da parte di un materiale sulla superficie del tubo, come mostrato in Figura 2. Alcuni misuratori di portata industriali con tubi di flusso di grande diametro utilizzano due coppie di trasduttori per migliorare le prestazioni, in modo da tenere conto della maggiore attenuazione che si verifica con diametri di tubo più grandi, come mostrato in Figura 3.

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Figura 1. Posizionamento del trasduttore in diagonale con rilevamento in linea.

 

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Figura 2. Posizionamento del trasduttore in linea con tecnica riflettente.

 

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 Figura 3. Varie configurazioni di posizionamento in linea di coppie di trasduttori.

 

La Figura 4 mostra un posizionamento del trasduttore fissaggio sul tubo che incontra un’ulteriore attenuazione del segnale poiché l’onda ultrasonica deve attraversare il materiale del tubo.

Una delle sfide principali associate ai misuratori di portata ad ultrasuoni è il mantenimento dell’accuratezza su un’ampia gamma di portate, da pochi litri all’ora (l/h) a decine di migliaia di l/h. Un’altra sfida consiste nel mantenere l’accuratezza della portata nel campo di temperature del fluido che possono variare da 0 °C a 85 °C, a seconda dell’applicazione. Poiché la velocità di un’onda ultrasonica nel fluido varia con la temperatura del fluido, la differenza nel tempo di propagazione per effettuare misurazioni della portata determinerà errori al cambiare della temperatura del fluido. Ad esempio, la velocità del suono nell’acqua varia tra 1.420 m/s e 1.540 m/s e non è né lineare né asintotica, come mostrato in Figura 5 nella pagina seguente. In generale, questa situazione può causare errori nella stima della velocità di flusso superiori al 5 percento se non si tiene conto della temperatura. Per una maggiore accuratezza, il sistema necessita di un sensore di temperatura.

È possibile, tuttavia, costruire un approccio alternativo che effettui misurazioni indipendenti dalla temperatura. Questo metodo comporta l’ottenimento della portata volumetrica di un fluido utilizzando il tempo assoluto di propagazione a monte e a valle o TOF, oltre alla differenza della propagazione.

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Figura 4. Posizionamento del trasduttore con fissaggio sul tubo.

 

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 Figura 5. La velocità degli ultrasuoni in acqua come funzione della temperatura dell’acqua.

 

Vantaggi dell’elaborazione basata su convertitore analogico/digitale (ADC)

È possibile utilizzare diversi approcci per ottenere la differenza nel TOF a monte e a valle. Uno degli approcci utilizza lo zero-crossing di un segnale convertito da temporale a digitale (TDC, time-to-digital converted). Un altro approccio mette in correlazione il segnale ottenuto dopo la conversione analogico/digitale (ADC) con il segnale ricevuto sul trasduttore.

La tecnica TDC utilizza un passaggio soglia iniziale per il segnale seguito da zero-crossing del segnale, come mostrato in Figura 6.

Nella tecnica ADC basata sulla correlazione, l’intera forma d’onda viene catturata e memorizzata per il segnale ricevuto sul trasduttore sia per le misurazioni a monte che a valle. L’esecuzione della post-elaborazione sulla forma d’onda determina il differenziale TOF.

 

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 Figura 6. Tecnica TDC basata su zero-crossing.

 

L’approccio basato su ADC presenta questi vantaggi intrinseci rispetto all’approccio TDC:

  • La correlazione fornisce anche filtri passa-basso per sopprimere il rumore, implementati in modo efficiente sull’acceleratore a bassa energia nell’MCU MSP430FR6047 di Texas Instruments. L’approccio a correlazione si traduce nel vantaggio di una deviazione standard inferiore al rumore di ~3-4 volte. Il filtro di correlazione sopprime anche le interferenze come il rumore di linea.
  • Resistenza alle variazioni di ampiezza del segnale. L’algoritmo basato sulla tecnica di correlazione è insensibile all’ampiezza del segnale ricevuto, alla variazione trasduttore/trasduttore e alla variazione di temperatura. La variazione dell’ampiezza del segnale si osserva spesso a portate elevate. La resistenza è un vantaggio significativo quando le prestazioni del trasduttore si degradano nel tempo, poiché alcune applicazioni implementano misuratori di portata per oltre 10 anni.
  • L’elaborazione basata su ADC ottiene l’inviluppo del segnale in modo naturale. La disponibilità delle informazioni sull’ampiezza del segnale consente di sintonizzare le frequenze del trasduttore. Inoltre, è possibile utilizzare variazioni lente nell’inviluppo con il passare del tempo per rilevare l’invecchiamento del trasduttore. L’approccio basato su ADC può essere anche soggetto al controllo automatico del guadagno (AGC), che può aumentare il segnale ricevuto se il guadagno del trasduttore si riduce nel tempo (anche in questo caso a causa dell’invecchiamento). Poiché l’algoritmo basato sulla correlazione riceve il segnale amplificato che mantiene il livello del segnale di uscita, anche nonostante l’invecchiamento del trasduttore, le prestazioni del sistema non si degradano nel tempo.

La Figura 7 alla pagina seguente mostra uno schema a blocchi funzionale dell’approccio ADC basato sulla correlazione, che richiede l’uso di un ADC per il sovracampionamento del segnale ricevuto.

 

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Figura 7. Stimatore TOF del differenziale in base alla correlazione.

 

Misurazione del TOF assoluto

Una misurazione del TOF assoluto elimina la necessità di un sensore di temperatura e la necessità di calcolare la velocità del suono nell’acqua. Esistono diversi approcci per calcolare accuratamente il TOF assoluto. Uno di questi approcci calcola l’inviluppo del segnale ricevuto e l’inviluppo in attraversamento ad un rapporto specificato al massimo del segnale. Il TOF assoluto sarà un offset costante da questo attraversamento della soglia dell’inviluppo, come illustrato in Figura 8.

Modulo di rilevamento ad ultrasuoni MCU MSP430FR6047

I blocchi funzionali che aiutano ad ottenere prestazioni elevate per un’applicazione di misuratori di portata ad ultrasuoni fanno parte di un front-end analogico (AFE) denominato blocco IP con soluzione di rilevamento ultrasonico (USS), che opera indipendentemente dall’unità di elaborazione centrale (CPU) dell’MCU MSP430™. La Figura 9 nella pagina seguente mostra uno schema a blocchi concettuale. Il modulo di rilevamento ad ultrasuoni comprende un alimentatore universale USS (UUPS), un sequenziatore di potenza (PSQ), un generatore di impulsi programmabile (PPG), un driver fisico e una rete di adattamento di impedenza (PHY), un amplificatore a guadagno programmabile (PGA), un loop ad aggancio di fase ad alta velocità (HSPLL), un ADC sigma-delta ad alta velocità (SDHS) e un sequenziatore di acquisizione (ASQ).

Il modulo di rilevamento ad ultrasuoni ha il proprio dominio di potenza e può essere acceso e spento indipendentemente dagli altri blocchi sull’MCU MSP430FR6047. Inoltre è possibile ripristinarlo senza influire su nessuno degli altri moduli sul dispositivo. L’adattamento di impedenza nel modulo di rilevamento ad ultrasuoni è fondamentale per ottenere una deriva molto bassa nella misurazione del tempo di volo delta con il passare del tempo e qualsiasi variazione nella temperatura dell’acqua. Ciò permette inoltre di rilevare portate molto basse.

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Figura 8. Forma d’onda acquisita da ADC e inviluppo per il calcolo del TOF assoluto, con una versione ingrandita dei cicli iniziali della forma d’onda nel pannello inferiore.

 

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Figura 9. Schema a blocchi funzionale della soluzione di rilevamento ad ultrasuoni.

Conclusione

La più recente tecnologia di rilevamento ad ultrasuoni basata su ADC di TI consente ai misuratori di flusso dell’acqua di operare con elevata precisione e accuratezza. Queste prestazioni possono essere ottenute mantenendo basso il consumo di corrente attraverso l’integrazione del modulo di rilevamento ad ultrasuoni e dell’acceleratore a bassa energia nell’MCU MSP430FR6047.

 

A cura di Srinivas Lingam, Systems and Applications Engineer Microcontroller MSP430, Texas Instruments.

 

 

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