Die Grundlagen der Anwendung von Ultraschallwandlern zur Erfassung von Objekten oder Flüssigkeitsströmen

Das Internet der Dinge (IoT) und die wachsende Rolle der Künstlichen Intelligenz (KI) am Rande des Netzwerks haben das Interesse an intelligenteren und umgebungsbewussteren Anwendungen geweckt. Daher müssen die Entwickler geeignete Erfassungsoptionen in Betracht ziehen, von denen sich viele auf bereits etablierte Technologien stützen können, um Komplexität zu vermeiden. Zum Beispiel wird Ultraschallenergie häufig verwendet, um das Vorhandensein von Objekten in der Nähe zu erkennen und sogar deren Entfernung zu bestimmen, sowie um die Durchflussmenge von Flüssigkeiten zu messen.

Die Vorteile des Ultraschalls sind, dass er relativ einfach anzuwenden ist, dass er genau ist, dass er minimale Sicherheits- oder Risikofaktoren aufweist, dass er keinen gesetzlichen Beschränkungen unterliegt und dass er keine Probleme mit der Zuweisung von Funkfrequenzen (RF) sowie mit elektromagnetischen Interferenzen (EMI) und Funkstörungen (RFI) verursacht.

Um die Vorteile der Ultraschallsensorik voll ausschöpfen zu können, müssen die Entwickler die Funktionsprinzipien, die verfügbaren Komponenten und die damit verbundenen Schaltungsanforderungen genau kennen. Sie müssen auch architektonische Ansätze in Betracht ziehen, wie z. B. die Verwendung von separaten Sende- und Empfangseinheiten - was die Platzierung beider Einheiten an verschiedenen Orten ermöglicht - oder die Verwendung eines kombinierten Transceivers mit einer Einheit. Schließlich müssen sie eine geeignete Treiber- und Empfängerelektronik bereitstellen, die mit der optimalen Frequenz für die Positionserfassung/-detektion und die Erfassung des Flüssigkeitsstroms arbeiten kann.

Dieser Artikel bietet eine grundlegende Einführung in die Ultraschallwandler und ihre Anwendung in der Objekterkennung und Durchflussmessung. Anhand von Beispielen werden reale Ultraschallgeräte von PUI Audio vorgestellt und ein geeigneter Treiber-IC sowie ein zugehöriges Entwicklungskit beschrieben, um die Anwendungsentwicklung zu ermöglichen.

Einfaches Prinzip, von der Natur übernommen

Die Ultraschalldetektion ist eine verfeinerte Version des grundlegenden Echolotprinzips, das von Tieren wie Delfinen und Fledermäusen verwendet wird (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die elektronische akustische Erkennung und Positionsbestimmung hat ihren Ursprung in der Echoortung, die von Lebewesen wie Fledermäusen effektiv genutzt wird. (Bildquelle: Wikipedia)

Im Betrieb wird ein kurzer akustischer Energieimpuls von einem Wandler erzeugt, bei dem es sich in der Regel um ein piezoelektrisches Gerät handelt. Nach dem Ende des Impulses schaltet das System in den Empfangsmodus und wartet auf die Reflexion (Echo) dieses Impulses. Wenn die übertragene akustische Energie auf einen Impedanzübergang oder eine Diskontinuität trifft, z. B. zwischen Luft und einem festen Gegenstand, wird ein Teil dieser Energie reflektiert und kann erfasst werden, in der Regel durch ein piezoelektrisches Gerät.

Die akustische Impedanz basiert auf der Dichte und der Schallgeschwindigkeit eines bestimmten Materials, und es ist wichtig, das Ausmaß der Reflexion zu bestimmen, das an der Grenze zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen auftritt.

Der Anteil der reflektierten Energie ist eine Funktion des Materialtyps und seines Absorptionskoeffizienten sowie des Impedanzunterschieds an der Grenze zwischen den Materialien. Harte Materialien wie Stein, Ziegel oder Metall reflektieren stärker als weiche Materialien wie Stoff oder Kissen.

Die akustische Impedanz von Luft ist um vier Größenordnungen geringer als die der meisten Flüssigkeiten oder Feststoffe. Infolgedessen wird der größte Teil der Ultraschallenergie aufgrund des großen Unterschieds der Reflexionskoeffizienten zum Wandler reflektiert. Der akustische Wirkungsquerschnitt ist eine Metrik, die dem Radarwirkungsquerschnitt entspricht und durch das Material und die Größe des Zielobjekts bestimmt wird.

Diese Erkennung und Entfernungsmessung ist vergleichbar mit dem, was passiert, wenn die HF-Energie eines Radars oder die optische Energie eines Lidars auf eine Impedanzdiskontinuität trifft und ein Teil dieser Energie zur Quelle zurückreflektiert wird. Auch wenn das Gesamtkonzept dasselbe ist, gibt es doch einen großen Unterschied: Ultraschallenergie ist keine elektromagnetische Energie. Die Nutzung des Frequenzspektrums ist nicht reguliert und unterliegt nur wenigen Einschränkungen. Eine relevante Einschränkung ist ein zu hoher Schalldruckpegel (SPL), ein Aspekt, der im Allgemeinen für Erfassungs-/Detektionsanwendungen nicht relevant ist, da die meisten dieser Anwendungen mit relativ niedrigen Leistungspegeln arbeiten.

Ausbreitung und Medium

Es gibt einen weiteren großen Unterschied: Ultraschall kann nur in einem sich ausbreitenden Medium wie Luft, anderen Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt werden. Die Dämpfungs- und Ausbreitungseigenschaften von akustischer Energie durch verschiedene Medien sind das Gegenteil von HF- und optischer Energie. Akustische Energie breitet sich gut in Flüssigkeiten aus, während HF-Energie dies im Allgemeinen nicht tut. Auch die optische Energie wird in den meisten Flüssigkeiten stark gedämpft. Im Gegensatz zu akustischer Energie haben sowohl Hochfrequenz als auch optische Energie eine geringe Dämpfung im Vakuum.

In seiner einfachsten Ausführung wird das Ultraschallsystem ausschließlich dazu verwendet, die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts oder einer Person innerhalb einer bestimmten Zone zu erkennen, indem ein ausreichend starkes Rücksignal erfasst wird. Durch Hinzufügen einer Zeitmessung kann auch die Entfernung zum Ziel bestimmt werden.

Bei anspruchsvolleren Systemen, bei denen auch die Entfernung zum Objekt berechnet werden muss, kann eine einfache Gleichung verwendet werden: Entfernung = ½ (Geschwindigkeit × Zeit), wobei die Umlaufzeit zwischen dem ausgesandten Impuls und der empfangenen Reflexion und die etablierte Schallgeschwindigkeit in Luft von etwa 343 Metern pro Sekunde (m/s) bei +20°C (+68°F) verwendet wird. Handelt es sich bei dem Medium um eine andere Flüssigkeit oder ein anderes Gas als Luft, muss die entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit verwendet werden.

Beachten Sie, dass die Schallgeschwindigkeit in der Luft je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit leicht variiert. Daher müssen für hochpräzise Entfernungsmessungen einer oder beide dieser Faktoren bekannt sein und ein Korrekturfaktor zur Grundgleichung hinzugefügt werden.

Ein interessantes Beispiel dafür, wie Ingenieure einen negativen Faktor in einen positiven umwandeln können, sind fortschrittliche Temperaturmesssysteme, die sich diese Verschiebung der Ausbreitungsgeschwindigkeit gegenüber der Temperatur zunutze machen. Diese Systeme messen die Temperatur, indem sie das genaue Timing der Reflexion des Ultraschallimpulses über eine bekannte Entfernung nutzen. Anschließend führen sie eine „Rückwärtskorrektur“ durch, um festzustellen, welche Temperatur diese Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit verursacht hätte.

Transducer-Parameter starten den Prozess

Nach der Festlegung der Anwendungsanforderungen muss ein geeigneter Audiotreiber und der zugehörige Empfänger ausgewählt werden, die mit der entsprechenden Frequenz arbeiten können, in der Regel mit relativ hohen 40 Kilohertz (kHz) für die Positionserfassung und mehrere hundert Kilohertz für die Durchflusserfassung. Zu den Vorteilen von Hochfrequenzwandlern gehören eine höhere Auflösung und eine fokussierte Richtwirkung (nach vorne gerichtetes Strahlenmuster), der Nachteil ist jedoch eine erhöhte Dämpfung des Signalwegs.

Die Geschwindigkeit, mit der die Ultraschallenergie bei der Ausbreitung durch das Medium Luft gestreut und absorbiert wird, steigt mit der Frequenz. Dies führt zu einer Verringerung der maximal erkennbaren Entfernung, wenn andere Faktoren konstant bleiben. Die Frequenz von 40 kHz ist ein Kompromiss zwischen Faktoren wie Effizienz, Dämpfung, Auflösung und physischer Größe, die alle mit der Wellenlänge zusammenhängen.

Um den Auswahlprozess zu beginnen, ist es hilfreich zu wissen, dass die für die Ultraschallsensorik verwendeten Wandler durch mehrere erstklassige Parameter charakterisiert werden. Zu diesen gehören:

• Betriebsfrequenz, Toleranz und Bandbreite: Wie bereits erwähnt, sind 40 kHz für viele grundlegende Anwendungen üblich, mit einer typischen Toleranz und Bandbreite von mehreren Kilohertz.
• Höhe der Steuerspannung: Hier wird der Spannungspegel angegeben, bei dem der Messwertaufnehmer (Transducer) eine optimale Leistung erbringt. Er kann von einigen zehn Volt bis zu 100 Volt oder mehr reichen.
• SPL: Definiert die Stärke des Audioausgangs bei einem bestimmten Pegel; er kann leicht 100 Dezibel (dB) oder mehr erreichen. Ein höherer Schalldruckpegel bietet eine größere Reichweite (eine typische Ultraschallanwendung hat eine Reichweite von einigen Metern).
• Empfindlichkeit des Empfängers: Sie charakterisiert den Spannungsausgang des piezoelektrischen Wandlers bei einem bestimmten Schalldruckpegel. Je höher diese Zahl ist, desto einfacher ist es, das Systemrauschen zu überwinden und einen genauen Messwert zu erhalten.
• Richtwirkung: Sie bestimmt die Streuung des Sendestrahls und den Winkelbereich, in dem der Empfänger am empfindlichsten ist. Typische Werte liegen zwischen 60° und 80° bei 40 kHz und werden in der Regel bis zu dem Winkel gemessen, bei dem der Frequenzgang 6 dB unter dem Wert bei einem Winkel von 0° liegt.

Positionierung der Transducer

Einer der Faktoren, die für die Wahl eines Messwertaufnehmers ausschlaggebend sind, ist die relative Position und Ausrichtung des zu erfassenden Objekts. Befindet sich das Objekt direkt vor der Quelle und ganz oder teilweise im rechten Winkel zur einfallenden Energie, wird ein Teil der auftreffenden Energie direkt zur Quelle zurückreflektiert.

In dieser Situation kann die Verwendung eines einzigen Wandlers für die Sende- und Empfangsfunktion (eine so genannte monostatische Anordnung) den physischen Aufbau vereinfachen und gleichzeitig den Platzbedarf und die Kosten für den Wandler minimieren (Abbildung 2).

Abbildung 2: Bei einer monostatischen Anordnung wird ein einziger Wandler sowohl für die Sende- als auch für die Empfangsfunktion verwendet. (Bildquelle: Science and Education Publishing Co.)

Der UTR-1440K-TT-R von PUI Audio (Abbildung 3), ein 40kHz-Ultraschall-Transceiver, ist eine gute Wahl für diese Konfiguration. Er hat einen Durchmesser von 14,4 Millimetern und eine Höhe von 9 mm. Er ist für den Betrieb mit einer AC-Treiberspannung von 140 Volt Spitze-Spitze (V_p-p) ausgelegt und bietet dem Treiber eine Nennlast von 1800 Picofarad (pF). Seine Echoempfindlichkeit ist besser als 200 Millivolt (mV) und seine Richtwirkung beträgt 70° ±15°.

Abbildung 3: Der UTR-1440K-TT-R ist ein einfacher 40kHz-Ultraschall-Transceiver, der einen Sender und einen Empfänger in einem einzigen Gehäuse vereint. (Bildquelle: PUI Audio)

In einigen Fällen handelt es sich bei den Quellen- und Empfängerwandlern um getrennte Komponenten, die jedoch in einer so genannten Kollokationsanordnung nebeneinander angeordnet sind (Abbildung 4).

Abbildung 4: Bei einer kollokierten Anordnung befinden sich die Ultraschallquelle und der Empfänger nebeneinander. (Bildquelle: Science and Education Publishing Co.)

Eine andere Möglichkeit besteht darin, sie in einem größeren Abstand voneinander zu platzieren und sie unterschiedlich auszurichten, wenn das zu erfassende Objekt schräg liegt. Dies nennt man eine bistatische Konfiguration. In diesem Fall lenkt das Objekt die auftreffende Energie ab, anstatt sie zur Quelle zurück zu reflektieren. Getrennte Komponenten ermöglichen auch eine flexible Auswahl für die jeweilige Anwendung. Außerdem ist die Leistung der Treiberschaltung des Senders flexibler, da sie nicht mehr in der Nähe der empfindlichen analogen Schaltungen des Empfängers liegt.

Für diese Situationen kann eine Paarung wie der 40kHz-Ultraschallsender UT-1640K-TT-2-R und der Ultraschallempfänger UR-1640K-TT-2-R eine gute Wahl sein. Der Sender ist 12 mm hoch und hat einen Durchmesser von 16 mm. Er benötigt nur 20 V_eff und erzeugt einen Schalldruckpegel von 115 dB bei einer Nennkapazität von 2100 pF und einem Abstrahlwinkel von 80°. Der komplementäre Empfänger hat das gleiche Aussehen, die gleichen Abmessungen, die gleiche Richtwirkung und die gleiche Kapazität wie der Sender (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der Ultraschallsender UT-1640K-TT-2-R und der Ultraschallempfänger UR-1640K-TT-2-R bieten unterschiedliche, sich ergänzende Funktionen, haben aber denselben Formfaktor und dieselben Abmessungen. (Bildquelle: PUI Audio)

Erfassen des Flüssigkeitsstroms

Neben der reinen Objekterkennung werden Ultraschallwandler auch für die berührungslose Messung von Flüssigkeits- und Gasdurchflussmengen eingesetzt. Für diese Anwendungen arbeiten die Messwandler mit höheren Frequenzen, typischerweise über 200 kHz, um die erforderliche Messauflösung zu erreichen.

Bei einer typischen Durchflussanwendung werden zwei Sensoren in einem bekannten Abstand voneinander platziert. Die Durchflussmenge kann dann anhand der Entfernung und der Laufzeit berechnet werden, die der Schall zwischen den beiden Wandlern in beiden Richtungen benötigt, da die sich bewegende Flüssigkeit die Ultraschallenergie mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in jede Richtung überträgt.

Diese Zeitdifferenz ist direkt proportional zur Geschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases in der Leitung. Die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit (V_f) beginnt mit der Gleichung:V_f = K × Δt/T_L, wobei K ein Kalibrierungsfaktor für die verwendeten Volumen- und Zeiteinheiten ist, Δt die Zeitdifferenz zwischen den Laufzeiten stromaufwärts und stromabwärts und T_L die Laufzeit bei einer Strömung von 0 ist.

Zu dieser Grundgleichung werden verschiedene Kompensations- und Korrekturfaktoren hinzugefügt, um u. a. die Flüssigkeitstemperatur und den Winkel zwischen den Messwandlern und dem Rohr zu berücksichtigen. In der Praxis erfordert ein Ultraschall-Durchflussmesser reale „Hardware“ und Armaturen (Abbildung 6).

Abbildung 6: Ein Transitzeit-Durchflussmesser erfordert verschiedene Armaturen und Anschlüsse; beachten Sie die beiden Ultraschallwandler. (Bildquelle: Circuit Digest)

Transitzeit-Durchflussmesser funktionieren gut mit viskosen Flüssigkeiten, vorausgesetzt, die Reynolds-Zahl bei minimalem Durchfluss ist entweder kleiner als 4000 (laminare Strömung) oder größer als 10.000 (turbulente Strömung), weist aber im Übergangsbereich zwischen beiden erhebliche Nichtlinearitäten auf. Sie werden zur Messung des Durchflusses von Rohöl in der Erdölindustrie eingesetzt und sind auch für die Messung von kryogenen Flüssigkeiten bis zu -300°C sowie für die Durchflussmessung von geschmolzenem Metall weit verbreitet - zwei Temperaturextreme.

PUI bietet Ultraschallwandler an, die speziell für die Durchflussmessung von Flüssigkeiten entwickelt wurden. Der UTR-18225K-TT arbeitet bei 225 ±15 kHz und hat den für diese Anwendung erforderlichen engen Abstrahlwinkel von nur ±15°. Dieser Sende-/Empfangswandler hat einen Durchmesser von 18 mm und eine Höhe von 9 mm und eine Kapazität von 2200 pF. Er kann mit einem Rechteckwellenzug von 12 V_p-p und bis zu 100 V_p-p bei niedrigem Tastverhältnis betrieben werden.

Ansteuerungs- und Signalaufbereitungsschaltungen

Ein Ultraschalldetektionssystem umfasst mehr als nur die piezoelektrischen Wandler. Für die Ansteuerung des Wandlers im Sendemodus und für die AFE-Signalaufbereitung (AFE: Analoges Front-End) im Empfangsmodus sind geeignete und sehr unterschiedliche Schaltungen erforderlich. Während einige Benutzer ihre eigenen Schaltungen entwickeln, sind ICs erhältlich, die die grundlegenden Ansteuerungs- und AFE-Funktionen zusammen mit zusätzlichen Merkmalen bereitstellen können.

Der PGA460 von Texas Instruments beispielsweise ist ein 5,00 mm × 4,40 mm großer 16-poliger IC, der für die Verwendung mit Wandlern wie dem 40kHz-Ultraschall-Transceiver UTR-1440K-TT-R von PUI Audio konzipiert ist. Dieser hochintegrierte IC auf Systemebene bietet einen On-Chip-Ultraschallwandler-Treiber und einen Signalaufbereiter und enthält einen fortschrittlichen digitalen Signalprozessor (DSP) (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der PGA460 ist eine vollständige Schnittstelle für die Sende- und Empfangsfunktionen eines Ultraschallwandlers. Er umfasst einen Stromversorgungsschaltkreis, ein AFE und einen DSP-Kern zur Ausführung der entsprechenden Algorithmen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der PGA460 verfügt über ein komplementäres Low-Side-Treiberpaar, das einen Wandler entweder in einer transformatorbasierten Topologie für höhere Treiberspannungen unter Verwendung eines Aufwärtstransformators oder in einer Direkttreiber-Topologie unter Verwendung externer High-Side-FETs für niedrigere Treiberspannungen betreiben kann. Das AFE besteht aus einem rauscharmen Verstärker (LNA), gefolgt von einer programmierbaren, zeitvariablen Verstärkungsstufe, die in einen Analog/Digital-Wandler (ADC) mündet. Das digitalisierte Signal wird im DSP-Kern sowohl für Nah- als auch für Fernfeld-Objekterkennung mit zeitvariablen Schwellenwerten verarbeitet.

Die zeitvariable Verstärkung des PGA460 ist ein Merkmal, das häufig bei Ultraschallwandlern verwendet wird, sei es für die einfache Objekterkennung oder für fortschrittliche medizinische Bildgebungssysteme. Sie hilft, den unvermeidlichen, aber im Voraus bekannten Dämpfungsfaktor der akustischen Signalenergie bei der Ausbreitung durch das Medium zu überwinden.

Da diese Dämpfung und die Ausbreitungsgeschwindigkeit bekannt sind, ist es möglich, den unvermeidlichen Verlust durch „Hochfahren“ der AFE-Verstärkung über die Zeit zu kompensieren, wodurch der Effekt der Dämpfung über die Entfernung effektiv aufgehoben wird. Das Ergebnis ist, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Systems unabhängig vom Erfassungsabstand maximiert wird und das System einen größeren Dynamikbereich der empfangenen Signale verarbeiten kann.

Um den Einsatz dieser Wandler weiter zu erforschen, bietet Texas Instruments das Evaluierungsmodul PGA460PSM-EVM an, das mit dem 40kHz-Ultraschall-Transceiver UTR-1440K-TT-R von PUI Audio arbeitet (Abbildung 8).

Abbildung 8: Das Evaluierungsmodul PGA460PSM-EVM basiert auf dem PGA460 und vereinfacht die Erforschung des Betriebs von Ultraschallsystemen mit dem 40kHz-Ultraschall-Transceiver UTR-1440K-TT-R von PUI Audio. (Bildquelle: Texas Instruments)

Für den Betrieb dieses Moduls sind nur wenige externe Komponenten sowie eine Stromversorgung erforderlich (Abbildung 9). Es wird durch Befehle gesteuert, die es von einer PC-basierten grafischen Benutzeroberfläche (GUI) erhält, an die es Daten zur Anzeige und weiteren Analyse zurücksendet. Neben den grundlegenden Funktionen und der Einstellung von Betriebsparametern ermöglicht es dem Benutzer, das Ultraschallechoprofil und die Messergebnisse anzuzeigen.

Abbildung 9: Das Evaluierungsmodul PGA460PSM-EVM wird an einen PC mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) angeschlossen, die es dem Benutzer ermöglicht, den Messwandler zu bedienen und zu steuern sowie kritische Wellenformen anzuzeigen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Fazit

Piezoelektrische Ultraschallwandler bieten eine bequeme und effektive Möglichkeit, Objekte in der Nähe zu erfassen und sogar ihre Entfernung zu messen. Sie sind zuverlässig, einfach anzuwenden und helfen Entwicklern, Probleme mit dem HF-Spektrum oder EMI/RFI-Vorschriften zu vermeiden. Sie können auch zur berührungslosen Messung von Flüssigkeitsdurchsätzen verwendet werden. Schnittstellen-ICs sowohl für die Sende- als auch für die Empfangsfunktionen, die von einem Evaluierungskit unterstützt werden, vereinfachen die Integration in ein System und bieten gleichzeitig Flexibilität bei der Einstellung der Betriebsparameter.