Principi base dell'applicazione dei trasduttori a ultrasuoni per il rilevamento di oggetti o del flusso di fluidi

L'Internet delle cose (IoT) e la continua espansione dell'intelligenza artificiale (AI) applicata ai margini della rete hanno suscitato grande interesse nella creazione di applicazioni più intelligenti e consapevoli dell'ambiente. Di conseguenza, i progettisti devono considerare opzioni di rilevamento appropriate, molte delle quali possono basarsi su tecnologie consolidate per evitare la complessità. Ad esempio, l'energia ultrasonica è ampiamente utilizzata per rilevare la presenza di oggetti vicini e determinarne la distanza, ma anche per misurare la portata dei fluidi.

I vantaggi degli ultrasuoni sono la relativa facilità di applicazione, l'accuratezza, i minimi fattori di sicurezza o di rischio, l'assenza di restrizioni normative e l'assenza di allocazione dello spettro di radiofrequenza (RF) e di problemi di interferenze elettromagnetiche (EMI) e interferenze in radiofrequenza (RFI).

Sebbene sia una metodologia consolidata, per sfruttare appieno i vantaggi del rilevamento a ultrasuoni, i progettisti devono conoscere bene i suoi principi di funzionamento, i componenti disponibili e i requisiti circuitali associati. Devono inoltre considerare approcci architettonici, come l'utilizzo di unità di trasmissione e ricezione separate - che consentono di collocarle in posizioni diverse - o l'utilizzo di un transceiver che combini trasmissione e ricezione in un'unica unità. Infine, devono prevedere adeguati driver e ricevitori elettronici, in grado di funzionare alla frequenza ottimale per il rilevamento della posizione e del flusso del fluido.

Questo articolo spiega i principi base dei trasduttori a ultrasuoni e la loro applicazione nel rilevamento di oggetti e del flusso. A titolo di esempio, sono presentati i dispositivi a ultrasuoni reali di PUI Audio e vengono descritti un driver in CI appropriato e un kit di sviluppo associato per lo sviluppo delle applicazioni.

Un principio semplice, preso dalla natura

Il rilevamento a ultrasuoni è una versione sofisticata del principio di base dell'ecolocalizzazione utilizzato da animali come delfini e pipistrelli (Figura 1).

Figura 1: Il rilevamento acustico elettronico e il rilevamento della posizione hanno origine dall'ecolocalizzazione, utilizzata efficacemente da esseri viventi come i pipistrelli. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

In funzione, un breve impulso di energia acustica viene generato da un trasduttore, solitamente un dispositivo piezoelettrico. Al termine dell'impulso, il sistema passa alla modalità di ricezione e attende la riflessione (eco) di quell'impulso. Quando l'energia acustica trasmessa incontra una transizione o una discontinuità di impedenza, ad esempio tra l'aria e un oggetto solido, una parte dell'energia viene riflessa e può essere rilevata, di solito da un dispositivo piezoelettrico.

L'impedenza acustica si basa sulla densità e sulla velocità acustica di un determinato materiale ed è importante determinare la quantità di riflessione che si verifica al confine tra due materiali con impedenze acustiche diverse.

La percentuale di energia riflessa è una funzione del tipo di materiale e del suo coefficiente di assorbimento, nonché del differenziale di impedenza al confine tra i materiali. I materiali duri come la pietra, i mattoni o il metallo riflettono più di quelli morbidi come il tessuto o gli imbottiti.

L'impedenza acustica dell'aria è di quattro ordini di grandezza inferiore a quella della maggior parte dei liquidi e dei solidi. Di conseguenza, la maggior parte dell'energia ultrasonica viene riflessa al trasduttore grazie all'ampia differenza tra i coefficienti di riflessione. La sezione d'urto acustica è un parametro analogo alla sezione radar equivalente ed è determinata dal materiale e dalle dimensioni dell'oggetto bersaglio.

Questo rilevamento e la rivelazione della distanza sono simili a ciò che accade quando l'energia RF del radar o l'energia ottica del lidar incontra una discontinuità di impedenza e una parte dell'energia viene riflessa verso la sorgente. Tuttavia, sebbene il concetto generale sia lo stesso, c'è una grande differenza: l'energia degli ultrasuoni non è energia elettromagnetica. L'uso dello spettro di frequenze non è regolamentato e ha pochissime restrizioni. Una restrizione pertinente è l'amplificazione del livello di pressione sonora (SPL), una considerazione che in genere non è rilevante per le applicazioni di rilevamento/rivelazione, in quanto la maggior parte di esse opera a livelli di potenza piuttosto bassi.

Propagazione e materia del mezzo

Esiste un'altra grande differenza: il rilevamento a ultrasuoni può essere utilizzato solo in un mezzo di propagazione come l'aria, altri gas o liquidi. Le caratteristiche di attenuazione e propagazione dell'energia acustica attraverso vari mezzi sono opposte a quelle dell'energia RF e ottica. L'energia acustica si propaga bene attraverso i liquidi, al contrario dell'energia a radiofrequenza. L'energia ottica presenta inoltre un'elevata attenuazione nella maggior parte dei liquidi. Inoltre, a differenza dell'energia acustica, sia la radiofrequenza che l'ottica hanno una bassa attenuazione nel vuoto.

Nella sua implementazione più semplice, il sistema a ultrasuoni viene utilizzato esclusivamente per rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto o di una persona all'interno di una zona d'interesse definita, rilevando un segnale di ritorno di intensità sufficiente. Aggiungendo una misura di temporizzazione, è possibile determinare anche la distanza dal bersaglio.

Nei sistemi più sofisticati, in cui è necessario calcolare anche la distanza dall'oggetto, si può utilizzare una semplice equazione: distanza = ½ (velocità × tempo), utilizzando il tempo di andata e ritorno tra l'impulso emesso e la riflessione ricevuta e la velocità stabilita del suono nell'aria, che è di circa 343 metri al secondo (m/s) a +20 °C. Se il mezzo è un fluido o un gas diverso dall'aria, è necessario utilizzare la velocità di propagazione appropriata.

Si noti che la velocità del suono nell'aria varia leggermente in base a temperatura e umidità. Pertanto, le applicazioni di rilevamento della distanza ultraprecise richiedono la conoscenza di uno o di entrambi questi fattori e l'aggiunta di un fattore di correzione all'equazione di base.

È interessante notare che, come esempio di ingegneri che trasformano un fattore negativo in uno positivo, esistono sistemi avanzati di rilevamento della temperatura che sfruttano questo spostamento della velocità di propagazione rispetto alla temperatura. Questi sistemi misurano la temperatura utilizzando la temporizzazione precisa della riflessione degli impulsi ultrasonori su una distanza nota. Quindi effettuano una "correzione inversa" per determinare quale temperatura avrebbe causato la variazione della velocità di propagazione.

I parametri del trasduttore avviano il processo

Dopo aver determinato i requisiti dell'applicazione, i progettisti devono selezionare un driver audio adeguato e un ricevitore associato in grado di funzionare alla frequenza appropriata, in genere a 40 kHz per il rilevamento della posizione e a diverse centinaia di kilohertz per il rilevamento del flusso di un fluido. I vantaggi dei trasduttori ad alta frequenza includono una maggiore risoluzione e una direttività focalizzata (fascio di luce in avanti), ma lo svantaggio è una maggiore attenuazione del percorso del segnale.

La velocità con cui l'energia ultrasonica si disperde e viene assorbita durante la propagazione attraverso il mezzo aria aumenta con la frequenza. Ciò comporta una diminuzione della distanza massima rilevabile se si mantengono costanti gli altri fattori. La frequenza di 40 kHz è un compromesso tra fattori quali l'efficienza, l'attenuazione, la risoluzione e le dimensioni fisiche, tutti correlati alla lunghezza d'onda.

Per iniziare la selezione, è utile sapere che i trasduttori utilizzati per il rilevamento a ultrasuoni sono caratterizzati da diversi parametri di alto livello, fra cui:

• Frequenza operativa, tolleranza e larghezza di banda: come già detto, 40 kHz è un valore comune per molte applicazioni di base, con una tolleranza e una larghezza di banda tipiche di diversi kilohertz.
• Livello di tensione di comando: specifica il livello di tensione al quale il trasduttore fornisce prestazioni ottimali, che può variare da poche decine di volt a 100 volt o più.
• SPL: definisce la grandezza dell'uscita audio al livello di pilotaggio definito; può facilmente raggiungere i 100 dB o più. Un SPL più elevato offre una copertura su distanze maggiori (una tipica applicazione a ultrasuoni ha una portata di decine di metri).
• Sensibilità del ricevitore: caratterizza l'uscita di tensione del trasduttore piezoelettrico a un determinato livello di SPL. Più alto è questo valore, più facile sarà superare il rumore del sistema e fornire una lettura accurata.
• Direzionalità: definisce la diffusione del fascio trasmesso e l'intervallo angolare in cui il ricevitore è più sensibile. I valori tipici vanno da 60° a 80° a 40 kHz, di solito misurati all'angolo in cui la risposta è 6 dB al di sotto del valore all'angolo di 0°.

Posizionamento dei trasduttori

Tra i fattori che determinano la scelta del trasduttore idoneo vi sono la posizione e l'orientamento relativi dell'oggetto da rilevare. Se l'oggetto si trova direttamente di fronte alla sorgente e interamente o in parte ad angolo retto rispetto all'energia incidente, una parte dell'energia impattante verrà riflessa direttamente verso la sorgente.

In questa situazione, l'uso di un singolo trasduttore per le funzioni di trasmissione e ricezione (chiamato disposizione monostatica) può semplificare la configurazione fisica, riducendo al minimo i requisiti di spazio e il costo del trasduttore (Figura 2).

Figura 2: In una disposizione monostatica, un singolo trasduttore viene utilizzato per le funzioni di trasmissione e ricezione. (Immagine per gentile concessione di Science and Education Publishing Co.)

Il dispositivo UTR-1440K-TT-R di PUI Audio (Figura 3), un transceiver a ultrasuoni da 40 kHz, è una scelta valida per questa configurazione. Ha un diametro di soli 14,4 mm e un'altezza di 9 mm. È progettato per funzionare con una tensione di comando c.a. di 140 V_p-p e offre un carico nominale di 1800 pF al driver. La sensibilità all'eco è migliore di 200 mV e la direttività è di 70° ±15°.

Figura 3: UTR-1440K-TT-R è un transceiver ultrasonico di base a 40 kHz che combina un trasmettitore e un ricevitore in un unico alloggiamento. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

In alcuni casi, i trasduttori sorgente e ricevitore sono dispositivi separati, ma collocati l'uno accanto all'altro in quella che viene definita una disposizione collocata (Figura 4).

Figura 4: In una disposizione collocata, la sorgente e il ricevitore a ultrasuoni sono adiacenti. (Immagine per gentile concessione di Science and Education Publishing Co.)

Un'altra opzione consiste nel separarli di una distanza considerevole e avere orientamenti diversi se l'oggetto rilevato è angolato. Questa è la configurazione bistatica. In tal caso, l'oggetto devia l'energia incidente anziché rifletterla verso la sorgente. I dispositivi separati offrono inoltre una certa flessibilità nella scelta in base all'applicazione, nonché nella potenza del circuito di pilotaggio del trasmettitore, in quanto non è più vicino alla sensibile circuiteria analogica del ricevitore.

In queste situazioni, una coppia come il trasmettitore a ultrasuoni UT-1640K-TT-2-R da 40 kHz e il ricevitore a ultrasuoni UR-1640K-TT-2-R può essere una buona scelta. Il trasmettitore misura 12 mm di altezza e ha un diametro di 16 mm. Richiede un pilotaggio di soli 20 V_RMS e produce un SPL di 115 dB con una capacità nominale di 2100 pF e una direttività di 80°. Il ricevitore complementare ha lo stesso aspetto, dimensioni, direttività e capacità del trasmettitore (Figura 5).

Figura 5: Il trasmettitore a ultrasuoni UT-1640K-TT-2-R e il ricevitore a ultrasuoni UR-1640K-TT-2-R forniscono funzioni diverse e complementari, ma hanno lo stesso fattore di forma e le stesse dimensioni. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

Rilevamento del flusso di un fluido

Oltre al rilevamento di oggetti di base, i trasduttori a ultrasuoni sono utilizzati per la misurazione non invasiva e senza contatto della portata di liquidi e gas. Per queste applicazioni, i trasduttori funzionano a frequenze più elevate, in genere superiori a 200 kHz, per fornire la risoluzione necessaria.

In una tipica applicazione di flusso, due sensori sono posizionati a una distanza nota l'uno dall'altro. La portata può quindi essere calcolata in base alla distanza e al tempo di transito che il suono impiega per viaggiare tra i due trasduttori in entrambe le direzioni, poiché il fluido in movimento trasporta l'energia ultrasonica a velocità diverse in ciascuna direzione.

Questa differenza di tempo è direttamente proporzionale alla velocità del liquido o del gas nel tubo. La determinazione della velocità di flusso (V_f) inizia con l'equazione: V_f = K × Δt/T_L, dove K è un fattore di calibrazione per le unità di volume e di tempo utilizzate, Δt è il differenziale temporale tra i tempi di transito a monte e a valle e T_L è il tempo di transito a flusso zero.

A questa equazione di base vengono aggiunti vari fattori di compensazione e correzione per tener conto, ma non solo, della temperatura del fluido e dell'angolo tra i trasduttori e il tubo. In pratica, un flussimetro ultrasonico richiede "hardware" e raccordi reali (Figura 6).

Figura 6: Un flussimetro a ultrasuoni del tempo di transito richiede raccordi e connessioni; si noti il doppio trasduttore ultrasonico. (Immagine per gentile concessione di Circuit Digest)

I flussimetri del tempo di transito funzionano bene con i liquidi viscosi, a condizione che il numero di Reynolds al flusso minimo sia inferiore a 4.000 (flusso laminare) o superiore a 10.000 (flusso turbolento), ma che presenti significative non linearità nella regione di transizione tra i due. Sono utilizzati per misurare il flusso di petrolio greggio nel settore petrolifero e sono anche ampiamente utilizzati per misurare liquidi criogenici fino a -300 °C, nonché per la misurazione del flusso di un metallo fuso - due temperature estreme.

PUI offre trasduttori a ultrasuoni progettati specificamente per applicazioni di flusso di fluidi a tempo di transito. UTR-18225K-TT funziona a 225 ±15 kHz e presenta l'apertura del fascio elettronico stretta necessaria per questa applicazione, pari a soli ±15°. Questo trasduttore di trasmissione/ricezione ha un diametro di 18 mm e un'altezza di 9 mm con una capacità di 2200 pF. Può essere pilotato con un treno di onde quadre da 12 V_p-p e fino a 100 V_p-p con un basso ciclo di lavoro.

Sono inoltre necessari i circuiti di pilotaggio e di condizionamento del segnale.

Un sistema di rilevamento a ultrasuoni non comprende solo i trasduttori piezoelettrici. Per soddisfare i requisiti di pilotaggio del trasduttore in modalità di trasmissione e per il condizionamento del segnale analogico front-end (AFE) a basso livello in modalità di ricezione, sono necessari circuiti appropriati e molto diversi tra loro. Sebbene alcuni utenti costruiscano circuiti propri, sono disponibili CI in grado di fornire le funzioni di base di azionamento e AFE, oltre a funzioni aggiuntive.

Ad esempio, PGA460 di Texas Instruments è un CI a 16 conduttori di 5,00 × 4,40 mm progettato per l'uso con trasduttori come il transceiver a ultrasuoni a 40 kHz UTR-1440K-TT-R di PUI Audio. Questo CI a livello di sistema, altamente integrato, fornisce un driver per trasduttori a ultrasuoni e un condizionatore di segnale su chip e include un core avanzato per il processore di segnali digitali (DSP) (Figura 7).

Figura 7: PGA460 è un'interfaccia completa per le funzioni di trasmissione e ricezione di un trasduttore a ultrasuoni. Include circuiti di alimentazione, un AFE e un core DSP per l'esecuzione degli algoritmi correlati. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

PGA460 dispone di una coppia di driver low-side complementari che possono pilotare un trasduttore sia in una topologia basata su trasformatore per tensioni di comando più elevate utilizzando un trasformatore step-up, sia in una topologia a pilotaggio diretto utilizzando FET high-side esterni per tensioni di comando più basse. L'AFE è costituito da un amplificatore a basso rumore (LNA) seguito da uno stadio di guadagno programmabile variabile nel tempo che alimenta un convertitore analogico/digitale (ADC). Il segnale digitalizzato viene elaborato nel core DSP per entrambi i tipi di rilevamento oggetti near-field e far-field con soglie variabili nel tempo.

Il guadagno variabile nel tempo offerto da PGA460 è una caratteristica spesso utilizzata con i trasduttori a ultrasuoni, sia per il semplice rilevamento di oggetti, sia per i sistemi avanzati di imaging medicale. Aiuta a superare l'inevitabile ma noto fattore di attenuazione dell'energia del segnale acustico durante la sua propagazione attraverso il mezzo.

Poiché questa attenuazione e la velocità di propagazione sono entrambe note, è possibile compensare l'inevitabile perdita "aumentando" il guadagno dell'AFE rispetto al tempo, annullando di fatto l'effetto dell'attenuazione rispetto alla distanza. Il risultato è che il rapporto segnale/rumore (SNR) del sistema è massimizzato indipendentemente dalla distanza di rilevamento e il sistema può gestire una più ampia gamma dinamica di segnali ricevuti.

Per esplorare ulteriormente l'uso di questi trasduttori, Texas Instruments offre il modulo di valutazione PGA460PSM-EVM, che funziona con il transceiver a ultrasuoni a 40 kHz UTR-1440K-TT-R di PUI Audio (Figura 8).

Figura 8: Il modulo di valutazione PGA460PSM-EVM è basato su PGA460 e semplifica l'esplorazione del funzionamento del sistema a ultrasuoni utilizzando il transceiver a ultrasuoni da 40 kHz UTR-1440K-TT-R di PUI Audio. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Per il suo funzionamento, questo modulo richiede solo pochi componenti esterni e un alimentatore (Figura 9). È controllato da comandi ricevuti da un'interfaccia grafica utente (GUI) basata su PC, alla quale restituisce i dati per la visualizzazione e l'analisi. Oltre alle funzionalità di base e all'impostazione dei parametri operativi, consente agli utenti di visualizzare il profilo dell'eco ultrasonico e i risultati della misurazione.

Figura 9: Il modulo di valutazione PGA460PSM-EVM si collega a un PC con una GUI che consente agli utenti di azionare e controllare il trasduttore e di visualizzare le forme d'onda critiche, oltre ad altre funzioni. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Conclusione

I trasduttori piezoelettrici a ultrasuoni sono un modo comodo ed efficace per rilevare gli oggetti vicini e misurarne la distanza. Sono affidabili, facili da applicare e aiutano i progettisti a evitare problemi di spettro RF o di normative EMI/RFI. Possono essere utilizzati anche per la misurazione senza contatto della portata dei fluidi. I CI di interfaccia per le funzioni di trasmissione e ricezione, supportati da un kit di valutazione, ne semplificano l'integrazione in un sistema e offrono flessibilità nell'impostazione dei parametri operativi.