מושגי יסוד ביישום מתמרים אולטרסוניים עבור חישת אובייקטים או זרימת נוזלים

האינטרנט-של-דברים (IoT) והתפקיד המתרחב של בינה מלאכותית (AI) בקצה הרשת העלו עניין בהפיכת יישומים לחכמים ומודעים יותר לסביבה. כתוצאה מכך, על המתכננים לשקול אפשרויות חישה מתאימות, שרבות מהן יכולות להסתמך על טכנולוגיות מבוססות היטב למניעת מורכבות. לדוגמה, נעשה שימוש נרחב באנרגיה אולטרסונית כדי לחוש את נוכחותם של עצמים קרובים ואף לקבוע את המרחק שלהם, כמו גם כדי למדוד את קצב זרימת נוזלים.

היתרונות של אולטרסאונד הם בכך שהוא קל יחסית ליישום, מדויק, בעל גורמי בטיחות או סיכון מינימליים, אינו גורר הגבלות רגולטוריות ומונע הקצאת ספקטרום תדרי רדיו (RF), כמו גם בעיות של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והפרעות בתדר רדיו (RFI).

אף כי חישה אולטרסונית מבוססת היטב כמתודולוגיה, כדי לממש את יתרונותיה המתכננים צריכים הבנה טובה של עקרונות הפעולה, הרכיבים הזמינים ודרישות המעגל הנלוות שלה. עליהם לשקול גם גישות ארכיטקטוניות, כגון האם להשתמש ביחידות שידור וקליטה נפרדות – המאפשרות מיקום של כל אחת הן במקומות שונים – או להשתמש ביחידה אחת של מקמ"ש משולב. לבסוף, עליהם לספק דוחף ומקלט אלקטרוניים מתאימים שיכולים לפעול בתדר האופטימלי עבור חישת/גילוי מיקום וחישת זרימת נוזלים.

מאמר זה מספק מבוא בסיסי למתמרים אולטרסוניים וליישומם בגילוי עצמים ובחישת זרימה. מכשירים אולטרסוניים פרקטיים מבית PUI Audio מוצגים כדוגמה, ומתוארים מעגל משולב (IC) דוחף מתאים וערכת הפיתוח הנלווית לו כדי לאפשר פיתוח יישומים.

עיקרון פשוט שאומץ מהטבע

גילוי אולטרסוני הוא גרסה מתוחכמת של העיקרון הבסיסי של מיקום באמצעות הד המשמש בעלי חיים כגון דולפינים ועטלפים (איור 1).

איור 1: גילוי אקוסטי אלקטרוני וחישת מיקום מקורם במיקום באמצעות הד המשמש ביעילות יצורים חיים כגון עטלפים. (מקור התמונה: Wikipedia)

בפעולה, פעימה קצרה של אנרגיה אקוסטית נוצרת על ידי מתמר, שהוא בדרך כלל התקן פיזואלקטרי. לאחר סיום הפעימה, המערכת עוברת למצב קליטה וממתינה להחזרה (הד) של אותה פעימה. כאשר האנרגיה האקוסטית המשודרת נתקלת במעבר בעל עכבה או באי-רציפות, כגון בין אוויר לאובייקט מוצק, חלק מהאנרגיה הזו מוחזרת וניתן לגלות אותה, בדרך כלל באמצעות התקן פיזואלקטרי.

עכבה אקוסטית מבוססת על הצפיפות והמהירות האקוסטית של חומר נתון, וחשוב לקבוע את כמות ההחזרה המתרחשת בגבול של שני חומרים בעלי עכבות אקוסטיות שונות.

שיעור האנרגיה הפרופורציוני שמוחזר הוא פונקציה של סוג החומר ומקדם הבליעה שלו, כמו גם הפרש העכבות בגבול בין החומרים. חומרים קשים כמו אבן, לבנים או מתכת מחזירים יותר מאשר חומרים רכים כמו בד או ריפודים.

העכבה האקוסטית של האוויר קטנה בארבעה סדרי גודל מזו של רוב הנוזלים או המוצקים. כתוצאה מכך, מרבית האנרגיה האולטרסונית מוחזרת למתמר בהתבסס על ההפרש הגדול במקדמי ההחזרה. חתך הרוחב האקוסטי הוא מדד האנלוגי לחתך הרוחב של מכ"ם והוא נקבע על פי החומר והגודל של אובייקט המטרה.

גילוי וחישת מרחק אלה דומים למה שקורה כאשר אנרגיית RF של מכ"ם או אנרגיה אופטית של לידאר (LiDAR) נתקלת באי רציפות של העכבה, ואז האנרגיה מוחזרת בחלקה למקור. עם זאת, על אף שהעיקרון הכללי שלהם זהה, יש ביניהם הבדל גדול: אנרגיית אולטרסאונד אינה אנרגיה אלקטרומגנטית. השימוש בה בספקטרום התדרים אינו מפוקח, ויש עליה מעט מאוד הגבלות. הגבלה רלוונטית אחת היא רמת לחץ קול (SPL) מופרזת, שיקול שבדרך כלל אינו רלוונטי ליישומי חישה/גילוי, מכיוון שרובם פועלים ברמות הספק נמוכות למדי.

התפשטות וחומר התווך

יש הבדל אחד גדול נוסף: בחישה/גילוי באולטרסאונד ניתן להשתמש רק בתווך מתפשט כגון אוויר, גזים אחרים או נוזלים. תכונות הניחות וההתפשטות של אנרגיה אקוסטית דרך חומרי תווך שונים הפוכות לאלה של RF ואנרגיה אופטית. אנרגיה אקוסטית מתפשטת היטב דרך נוזלים, בעוד שאנרגיית RF בדרך כלל לא. גם לאנרגיה אופטית יש ניחות גבוה במרבית הנוזלים. יתרה מכך, בניגוד לאנרגיה אקוסטית, גם לאנרגיית RF וגם לאנרגיה אופטית יש ניחות נמוך בוואקום.

במימוש הפשוט ביותר שלה, המערכת האולטרסונית משמשת אך ורק כדי לגלות נוכחות או היעדרות של חפץ או אדם בתוך אזור מעניין כללי על ידי גילוי אות חוזר בעוצמה מספקת. על ידי הוספת מדידת תזמון, ניתן לקבוע גם את המרחק למטרה.

במערכות מתוחכמות יותר שבהן יש לחשב גם את המרחק לאובייקט, ניתן להשתמש במשוואה פשוטה: מרחק = ½ (מהירות × זמן), כאשר משתמשים בזמן ההתפשטות הלוך ושוב בין הפעימה שנפלטה להחזרה שהתקבלה, ובמהירות הקול הידועה באוויר שהיא כ-343 מטר-לשנייה (m/s) בטמפרטורה של ‎+20°C‏ (‎+68°F). אם התווך הוא נוזל או גז שאינם אוויר, יש להשתמש במהירות ההתפשטות המתאימה.

שימו לב שמהירות הקול באוויר משתנה מעט עם הטמפרטורה והלחות. לכן, יישומי חישת מרחק מדויקים ביותר דורשים שחובה שאחד הגורמים האלה או שניהם יהיו ידועים, וגורם תיקון יתווסף למשוואה הבסיסית.

באופן מעניין, כדוגמה למהנדסים שהופכים גורם שלילי לחיובי, קיימות מערכות חישת טמפרטורה מתקדמות המנצלות את השינוי הזה במהירות ההתפשטות לעומת הטמפרטורה. מערכות אלה מודדות טמפרטורה באמצעות תזמון מדויק של החזרת פעימת האולטרסאונד המוחזרת על פני מרחק ידוע. לאחר מכן הן מבצעות 'תיקון הפוך' כדי לקבוע איזו טמפרטורה הייתה גורמת לשינוי הזה במהירות ההתפשטות.

פרמטרי המתמר מתחילים את התהליך

לאחר קביעת דרישות היישום, על המתכננים לבחור דוחף אודיו מתאים ומקלט המשויך לו שיוכלו לפעול בתדר המתאים, בדרך כלל בתדר גבוה יחסית של 40 קילוהרץ (kHz) עבור חישת/גילוי מיקום, וכמה מאות קילוהרץ עבור חישת זרימת נוזלים. היתרונות של מתמרי תדר-גבוה כוללים רזולוציה מוגדלת וכיווניות ממוקדת (תבנית אלומה הפונה קדימה), אך חסרונם הוא ניחות גדול יותר של מסלול האות.

הקצב שבו מתפזרת ונבלעת האנרגיה האולטרסונית תוך כדי התפשטות בתווך האוויר עולה עם התדר. הדבר גורם להקטנת המרחק המקסימלי הניתן לגילוי אם גורמים אחרים נשמרים קבועים. תדר של ‎40 kHz הוא פשרה בין גורמים כמו נצילות, ניחות, רזולוציה וגודל פיזי, שכולם קשורים לאורך הגל.

כדי להתחיל בתהליך הבחירה, כדאי לדעת שמתמרים המשמשים לחישה אולטרסונית מאופיינים במספר פרמטרים מהשורה הראשונה. בקרב אלה ניתן למצוא:

• תדר פעולה, טולרנס ורוחב פס: כפי שצוין, תדר ‎40 kHz נפוץ עבור יישומים בסיסיים רבים, עם טולרנס ורוחב פס טיפוסיים של מספר קילוהרץ.
• רמת מתח הדוחף: זו מציינת את רמת המתח שעבורה המתמר מספק ביצועים אופטימליים. היא יכולה לנוע בין כמה עשרות וולט, ועד ל-100 וולט או יותר.
• רמת לחץ קול (SPL): זו מגדירה את רמת יציאת האודיו ברמת הדחיפה המוגדרת; היא יכולה להגיע בקלות ל-100 דציבלים (dB) או יותר. רמת SPL גבוהה יותר מציע כיסוי למרחקים גדולים יותר (ליישום אולטרסאונד טיפוסי יש טווח של עשרות מטרים).
• רגישות המקלט: זו מאפיינת את יציאת המתח של המתמר הפיאזואלקטרי ברמת SPL נתונה. ככל שמספר זה גבוה יותר, כך יהיה קל יותר להתגבר על רעש המערכת ולספק קריאה מדויקת.
• כיווניות: זו מגדירה את התפשטות האלומה המשודרת כמו גם את הטווח הזוויתי שעל פניו המקלט רגיש ביותר. הערכים האופייניים נעים בין 60° ל-80° ב-‎40 kHz, הנמדדים בדרך כלל עד לזווית שבה ההיענות היא ‎6 dB מתחת לערך שבזווית 0°.

מיקום המתמרים

אחד הגורמים הקובעים את בחירת המתמר הוא המיקום היחסי והכיוון של האובייקט שהמתמר חש. אם האובייקט נמצא ישירות מול המקור וכולו או חלקו נמצא בזווית ישרה לאנרגיה הפוגעת, חלק מהאנרגיה הפוגעת הזו יוחזר ישירות בחזרה למקור.

במצב זה, השימוש במתמר בודד הן עבור פונקציית השידור והן עבור פונקציית הקליטה (הנקרא סידור מונוסטטי) יכול לפשט את הכינון הפיזי תוך הקטנת דרישות המקום ועלות המתמר למינימום (איור 2).

איור 2: בסידור מונוסטטי, מתמר בודד משמש לפונקציות שידור וקליטה כאחד. (מקור התמונה: Science and Education Publishing Co.‎)

UTR-1440K-TT-R מבית PUI Audio (איור 3), מקמ"ש אולטרסוני של ‎40 kHz, הוא בחירה ניתנת למימוש עבור תצורה זו. הוא בעל קוטר של 14.4 מילימטרים (מ"מ) בלבד וגובהו 9 מ"מ. הוא מתוכנן לפעול ממתח דחיפת AC של 140 וולט שיא-לשיא (V_p-p) ומהווה עומס נומינלי של 1800 פיקו-פאראד (pF) לדוחף. רגישותו להד טובה מ-200 מילי-וולט (mV) והכיווניות שלו היא ‎70° ±15°.

איור 3: UTR-1440K-TT-R הוא מקמ"ש אולטרסוני בסיסי ‎40 kHz המשלב משדר ומקלט בבית יחיד. (מקור התמונה: PUI Audio)

במקרים מסוימים, מתמרי המקור והמקלט הם התקנים נפרדים אך ממוקמים זה ליד זה במה שנקרא סידור במיקום משותף (איור 4).

איור 4: בסידור במיקום משותף, המקור האולטרסוני והמקלט ממוקמים בסמיכות זה לצד זה. (מקור התמונה: Science and Education Publishing Co.‎)

אפשרות נוספת היא ליצור ביניהם הפרדה של מרחק משמעותי וכן כיווניות שונה אם האובייקט שהמתמר חש נמצא בזווית. תצורה זו נקראת תצורה דו-מצבית. במקרה זה, האובייקט מסיט את האנרגיה הפוגעת במקום להחזיר אותה בחזרה למקור. התקנים נפרדים מאפשרים גם גמישות בבחירתם כדי להתאימם ליישום. הדבר גם מאפשר גמישות בהספק מעגל הדחיפה של המשדר מכיוון שהוא כבר לא סמוך למעגלים האנלוגיים הרגישים של המקלט.

עבור מצבים אלה, זיווג כגון המשדר האולטרסוני UT-1640K-TT-2-R‏ של ‎40 kHz עם המקלט האולטרסוני UR-1640K-TT-2-R עשוי להוות בחירה טובה. גובה המשדר 12 מ"מ וקוטרו 16 מ"מ. הוא דורש דחיפה של ‎20 V_RMS בלבד, ומייצר SPL של ‎115 dB תוך הצגת קיבוליות נומינלית של ‎2100 pF וכיווניות רוחב אלומה של 80°. למקלט המשלים יש אותו מראה, מידות, כיווניות וקיבוליות כמו למשדר (איור 5).

איור 5: המשדר האולטרסוני UT-1640K-TT-2-R והמקלט האולטרסוני UR-1640K-TT-2-R מספקים פונקציות שונות ומשלימות, אך הם בעלי גודל פיזי ומידות זהים. (מקור התמונה: PUI Audio)

חישת זרימת נוזלים

מעבר לזיהוי אובייקטים בסיסי, מתמרים אולטרסוניים משמשים עבור מדידה לא פולשנית וללא מגע של קצב זרימת נוזלים וגזים. עבור יישומים אלה, המתמרים פועלים בתדרים גבוהים יותר, בדרך כלל מעל ‎200 kHz‏, כדי לספק את רזולוציית המדידה הנדרשת.

ביישום זרימה טיפוסי, שני חיישנים ממוקמים במרחק ידוע זה מזה. לאחר מכן ניתן לחשב את קצב הזרימה בהינתן המרחק וזמן המעבר שלוקח לצליל לעבור בין שני המתמרים בשני הכיוונים, מכיוון שהנוזל הנע נושא את האנרגיה האולטרסונית במהירויות שונות בכל כיוון.

הפרש זמנים זה עומד ביחס ישר למהירות הנוזל או הגז בצינור. קביעת מהירות הזרימה (V_f) מתחילה במשוואה: V_f = K × Δt/T_L, כאשר K הוא גורם כיול עבור יחידות הנפח והזמן בהן נעשה שימוש, Δt הוא הפרש הזמן בין זמני המעבר במעלה הזרם ובמורד הזרם, ו-T_L הוא זמן המעבר באפס זרימה.

גורמי פיצוי ותיקון שונים מתווספים למשוואה הבסיסית הזו כדי להביא בחשבון את טמפרטורת הנוזל ואת הזווית בין המתמרים לצינור, בין שיקולים אחרים. בפועל, מד זרימה אולטרסוני דורש 'קשיחים' ומתאמים פרקטיים (איור 6).

איור 6: מד זרימה אולטראסוני מעשי עבור זמן מעבר דורש מתאמים וחיבורים שונים; שימו לב למתמר האולטראסוני הכפול. (מקור התמונה: Circuit Digest)

מדי זרימה עבור זמן מעבר עובדים היטב עם נוזלים צמיגיים, בתנאי שמספר ריינולדס בזרימה מינימלית הוא פחות מ-4,000 (זרימה למינרית) או מעל 10,000 (זרימה טורבולנטית), אך יש להם אי-לינאריות משמעותיות באזור המעבר בין השתיים. הם משמשים למדידת זרימת נפט גולמי בתעשיית הנפט, ונמצאים בשימוש נרחב גם למדידת נוזלים קריוגניים בטמפרטורות נמוכות עד כדי ‎–300°C, כמו גם למדידת זרימת מתכת מותכת – שתי טמפרטורות קיצוניות.

PUI מציעה מתמרים אולטרסוניים שתוכננו במיוחד עבור יישומי זרימת נוזלים עבור זמן מעבר. ה-UTR-18225K-TT פועל ב-‎225 ±15 kHz ויש לו את זווית האלומה הצרה של ±15° בלבד הנדרשת ליישום זה. למתמר שידור/קליטה זה יש קוטר של 18 מ"מ וגובה של 9 מ"מ עם קיבוליות של ‎2200 pF. ניתן לדחוף אותו בעזרת שרשרת של גלים מרובעים ‎12 V_p-p עד ‎100 V_p-p ביחס מחזור נמוך.

הדבר דורש גם מעגלי דחיפה ואכשור אותות

מערכת גילוי אולטרסונית מורכבת לא רק ממתמרים פיזואלקטריים. יש צורך במעגלים מתאימים ושונים מאוד כדי לעמוד בדרישות הדחיפה של המתמר במצב שידור ולאכשור אותות קצה-קדמי אנלוגיים (AFE) במצב קליטה. בעוד שמשתמשים מסוימים בונים מעגלים משלהם, קיימים מעגלים משולבים שיכולים לספק בנוחות את הדחיפה הבסיסית ואת פונקציות ה-AFE יחד עם מאפיינים נוספים.

לדוגמה, ה-PGA460 של Texas Instruments הוא מעגל משולב (IC) בגודל 5.00 מ"מ × 4.40 מ"מ בעל 16 מוליכים המיועד לשימוש עם מתמרים כגון המקמ"ש האולטרסוני UTR-1440K-TT-R‏ ‎40 kHz מבית PUI Audio. מעגל משולב אינטגרטיבי ביותר ברמת-מערכת זה מספק דוחף מתמר אולטרסוני על-גבי-שבב ומאכשר אותות, וכולל ליבת מעבד אותות דיגיטלי (DSP) מתקדמת (איור 7).

איור 7: ה-PGA460 הוא ממשק מקיף הן עבור פונקציות שידור והן עבור פונקציות קליטה של מתמר אולטרסוני. הוא כולל מעגלי דחיפת הספק, AFE וליבת DSP להפעלת האלגוריתמים הקשורים. (מקור תמונה: Texas Instruments)

ה-PGA460 מצויד בזוג דוחפי צד-נמוך משלימים שיכולים לדחוף מתמר או בטופולוגיה מבוססת שנאים עבור מתחי דחיפה גבוהים יותר על ידי שימוש בשנאי מעלה מתח (Step-up‏), או בטופולוגיית דחיפה ישירה באמצעות רכיבי FET צד-גבוה חיצוניים עבור מתחי דחיפה נמוכים יותר. ה-AFE מורכב ממגבר בעל רעש נמוך (LNA) שלאחריו דרגת הגבר ניתנת לתכנות המשתנה בזמן המוזנת לתוך ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC). האות הדיגיטלי מעובד בליבת ה-DSP הן לגילוי אובייקטים בשדה-קרוב והן בשדה-רחוק תוך שימוש בספים משתנים בזמן.

ההגבר המשתנה בזמן שמציע ה-PGA460 הוא מאפיין המשמש לעתים קרובות עם מתמרים אולטרסוניים, בין אם לגילוי אובייקטים בסיסי או למערכות דימות רפואי מתקדמות. הדבר מסייע להתגבר על גורם הניחות הבלתי נמנע אך ידוע מראש של אנרגיית האות האקוסטי כשהיא מתפשטת דרך התווך.

מכיוון שניחות זה ומהירות ההתפשטות ידועים שניהם, ניתן לקזז את ההפסדים הבלתי-נמנעים על ידי 'העלאה הדרגתית' של הגבר ה-AFE לעומת הזמן, ובכך למעשה לבטל את השפעת הניחות לעומת המרחק. התוצאה היא שיחס האות לרעש (SNR) של המערכת ממוקסם ללא תלות במרחק החישה, והמערכת יכולה לטפל בתחום דינמי רחב יותר של אותות שנקלטו.

כדי להמשיך ולחקור את השימוש במתמרים אלה, חברת Texas Instruments מציעה את מודול ההערכה PGA460PSM-EVM, אשר עובד עם המקמ"ש האולטרסוני UTR-1440K-TT-R‏ ‎40 kHz מבית PUI Audio (איור 8).

איור 8: מודול ההערכה PGA460PSM-EVM מבוסס על ה-PGA460 ומפשט את החקירה של פעולת המערכת האולטרסונית באמצעות המקמ"ש האולטרסוני UTR-1440K-TT-R‏ ‎40 kHz מבית PUI Audio. (מקור תמונה: Texas Instruments)

מודול זה דורש רק כמה רכיבים חיצוניים בתוספת ספק כוח להפעלה (איור 9). הוא נשלט על ידי פקודות המתקבלות מממשק משתמש גרפי (GUI) מבוסס מחשב אישי (PC), אליו הוא מחזיר נתונים להצגה ולניתוח נוסף. בנוסף לפונקציונליות הבסיסית ולהגדרת הפרמטרים האופרטיביים, הוא מאפשר למשתמשים להציג את פרופיל ההד האולטרסוני ואת תוצאות המדידה.

איור 9: מודול ההערכה PGA460PSM-EVM מתחבר למחשב אישי עם ממשק משתמש גרפי (GUI) המאפשר למשתמשים להפעיל את המתמר ולשלוט בו, ולראות צורות גל חיוניות, בין שאר הפונקציות. (מקור תמונה: Texas Instruments)

סיכום

מתמרים אולטרסוניים פיזואלקטריים מספקים דרך נוחה ויעילה לחוש אובייקטים קרובים ואף למדוד את המרחק שלהם. הם אמינים, קלים ליישום ומסייעים למתכננים להימנע מבעיות רגולטוריות בספקטרום ה-RF או ה-EMI/RFI. הם יכולים לשמש גם למדידה ללא-מגע של קצבי זרימת נוזלים. מעגלי ממשוק הן עבור פונקציית השידור והן הקליטה שלהם, הנתמכים על ידי ערכת הערכה, מפשטים את השילוב שלהם במערכת תוך מתן גמישות בהגדרת פרמטרי הפעולה שלהם.