Aspectos básicos de la aplicación de transductores ultrasónicos para detectar objetos o el flujo de fluidos

El Internet de las cosas (IoT) y el papel cada vez más importante de la inteligencia artificial (IA) en el borde de la rRed han despertado el interés por hacer que las aplicaciones sean más inteligentes y conscientes del entorno. Por ello, los diseñadores deben considerar opciones de detección adecuadas, muchas de las cuales pueden basarse en tecnologías bien establecidas para evitar la complejidad. Por ejemplo, la energía ultrasónica se utiliza ampliamente para detectar la presencia de objetos cercanos e incluso determinar su distancia, así como para medir caudales de fluidos.

Las ventajas de los ultrasonidos son ser relativamente fáciles de aplicar, ser precisos, tener factores de seguridad o riesgo mínimos, no conllevar restricciones normativas y evitar la asignación del espectro de radiofrecuencias (RF), así como los problemas de interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI).

Aunque se trata de una metodología bien establecida, para aprovechar plenamente las ventajas de la detección ultrasónica, los diseñadores deben conocer bien sus principios de funcionamiento, los componentes disponibles y los requisitos de los circuitos asociados. También deben considerar los enfoques arquitectónicos, como el uso de unidades de transmisión y recepción separadas -lo que permite la colocación de cada una en diferentes lugares- o el uso de un transceptor combinado de una sola unidad. Por último, deben proporcionar un controlador y un receptor electrónicos adecuados que puedan funcionar a la frecuencia óptima para la detección de la posición y la detección del caudal de fluido.

Este artículo ofrece una introducción básica a los transductores ultrasónicos y su aplicación en la detección de objetos y la detección de flujo. Se presentan, a modo de ejemplo, dispositivos ultrasónicos reales de PUI Audio y se describen un CI controlador adecuado y un kit de desarrollo asociado para permitir el desarrollo de aplicaciones.

Principio simple, adoptado de la naturaleza

La detección ultrasónica es una versión sofisticada del principio básico de ecolocalización utilizado por animales como los delfines y los murciélagos (Figura 1).

Figura 1: La detección acústica electrónica y la detección de posición tienen su origen en la ecolocalización, utilizada eficazmente por seres vivos como los murciélagos. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

En funcionamiento, un breve pulso de energía acústica es generado por un transductor, que suele ser un dispositivo piezoeléctrico. Una vez finalizado el pulso, el sistema pasa al modo de recepción y espera el reflejo (eco) de ese pulso. Cuando la energía acústica transmitida encuentra una transición o discontinuidad de impedancia, como entre el aire y un objeto sólido, parte de esa energía se refleja y puede detectarse, normalmente mediante un dispositivo piezoeléctrico.

La impedancia acústica se basa en la densidad y la velocidad acústica de un material dado, y es importante determinar la cantidad de reflexión que se produce en el límite de dos materiales que tienen impedancias acústicas diferentes.

La proporción de energía que se refleja depende del tipo de material y de su coeficiente de absorción, así como del diferencial de impedancia en el límite entre materiales. Los materiales duros, como la piedra, el ladrillo o el metal, reflejan más que los blandos, como la tela o los cojines.

La impedancia acústica del aire es cuatro órdenes de magnitud menor que la de la mayoría de los líquidos o sólidos. Como resultado, la mayor parte de la energía ultrasónica se refleja en el transductor debido a la gran diferencia en los coeficientes de reflexión. La sección transversal acústica es una métrica análoga a la sección transversal radar y viene determinada por el material y el tamaño del objeto objetivo.

Esta detección y detección de distancias es similar a lo que ocurre cuando la energía de radiofrecuencia de un radar o la energía óptica de un lidar encuentra una discontinuidad de impedancia y parte de esa energía se refleja de vuelta a la fuente. Sin embargo, aunque el concepto general es el mismo, hay una gran diferencia: la energía de los ultrasonidos no es energía electromagnética. Su uso del espectro de frecuencias no está regulado y tiene muy pocas restricciones. Una restricción pertinente es el nivel de presión sonora (SPL) excesivo, una consideración que no suele ser relevante para las aplicaciones de detección, ya que la mayoría de ellas funcionan a niveles de potencia bastante bajos.

Propagación y medios de comunicación

Hay otra gran diferencia: la detección por ultrasonidos solo puede utilizarse en un medio propagador como el aire, otros gases o líquidos. Las características de atenuación y propagación de la energía acústica a través de diversos medios son opuestas a las de la energía de radiofrecuencia y óptica. La energía acústica se propaga bien a través de los líquidos, mientras que la energía de radiofrecuencia no suele hacerlo. La energía óptica también tiene una alta atenuación en la mayoría de los líquidos. Además, a diferencia de la energía acústica, tanto la radiofrecuencia como la óptica tienen una baja atenuación en el vacío.

En su aplicación más sencilla, el sistema ultrasónico se utiliza únicamente para detectar la presencia o ausencia de un objeto o persona dentro de una zona de interés general mediante la detección de una señal de retorno de intensidad suficiente. Añadiendo una medición de tiempo, también se puede determinar la distancia al objetivo.

En sistemas más sofisticados en los que también debe calcularse la distancia al objeto, puede utilizarse una ecuación sencilla: distancia = ½ (velocidad × tiempo), utilizando el tiempo de ida y vuelta entre el impulso emitido y el reflejo recibido, y la velocidad establecida del sonido en el aire, que es de unos 343 metros por segundo (m/s) a +20 °C (+68 °F). Si el medio es un fluido o un gas distinto del aire, debe utilizarse la velocidad de propagación adecuada.

Tenga en cuenta que la velocidad del sonido en el aire varía ligeramente con la temperatura y la humedad. Por lo tanto, las aplicaciones de detección de distancias ultraprecisas requieren que se conozca uno de esos factores, o ambos, y que se añada un factor de corrección a la ecuación básica.

Curiosamente, como ejemplo de ingenieros que convierten un factor negativo en positivo, existen sistemas avanzados de detección de temperatura que aprovechan este cambio de la velocidad de propagación en función de la temperatura. Estos sistemas miden la temperatura utilizando una temporización precisa de la reflexión del impulso ultrasónico reflejado a lo largo de una distancia conocida. A continuación, realizan una "corrección inversa" para determinar qué temperatura habría provocado ese cambio en la velocidad de propagación.

Los parámetros del transductor inician el proceso

Una vez determinados los requisitos de la aplicación, los diseñadores deben seleccionar un controlador de audio adecuado que pueda funcionar a la frecuencia apropiada, normalmente a una frecuencia relativamente alta de 40 kilohertz (kHz) para la detección/sensado de la posición, y de varios cientos de kilohertz para el sensado del flujo de fluidos. Las ventajas de los transductores de alta frecuencia son la mayor resolución y la directividad focalizada (patrón de haz orientado hacia delante), pero la desventaja es la mayor atenuación de la trayectoria de la señal.

La velocidad a la que la energía ultrasónica se dispersa y se absorbe mientras se propaga a través del medio del aire aumenta con la frecuencia. Esto se traduce en una disminución de la distancia máxima detectable si se mantienen constantes otros factores. La frecuencia de 40 kHz es un compromiso entre factores como la eficacia, la atenuación, la resolución y el tamaño físico, todos ellos relacionados con la longitud de onda.

Para comenzar el proceso de selección, es útil saber que los transductores utilizados para la detección ultrasónica se caracterizan por varios parámetros de primer nivel. Entre ellas están:

• Frecuencia de funcionamiento, tolerancia y ancho de banda: como se ha señalado, 40 kHz es común para muchas aplicaciones básicas, con una tolerancia y un ancho de banda típicos de varios kilohertzios.
• Nivel de voltaje de excitación: especifica el nivel de voltaje para el que el transductor ofrece un rendimiento óptimo. Puede oscilar entre unas decenas de voltios y 100 voltios, o más.
• SPL: define la magnitud de la salida de audio en el nivel de accionamiento definido; puede alcanzar fácilmente los 100 decibelios (dB) o más. Un SPL más alto ofrece cobertura a mayores distancias (una aplicación típica de ultrasonidos tiene un alcance de decenas de metros).
• Sensibilidad de recepción: caracteriza la salida de voltaje del transductor piezoeléctrico a un nivel de presión sonora determinado. Cuanto mayor sea este número, más fácil será superar el ruido del sistema y proporcionar una lectura precisa.
• Directividad: define la dispersión del haz transmitido, así como el rango angular en el que el receptor es más sensible. Los valores típicos oscilan entre 60° y 80° a 40 kHz, normalmente medidos hasta el ángulo en el que la respuesta es 6 dB inferior al valor en el ángulo de 0°.

Colocación de los transductores

Uno de los factores que determinan la elección de un transductor es la posición relativa y la orientación del objeto detectado. Si el objeto se encuentra directamente delante de la fuente y total o parcialmente en ángulo recto con respecto a la energía incidente, parte de esa energía incidente se reflejará directamente hacia la fuente.

En esta situación, el uso de un único transductor para las funciones de transmisión y recepción (denominado disposición monostática) puede simplificar la configuración física y minimizar los requisitos de espacio y el costo del transductor (Figura 2).

Figura 2: en una disposición monostática, se utiliza un único transductor para las funciones de transmisión y recepción. (Fuente de la imagen: Science and Education Publishing Co.)

El UTR-1440K-TT-R de PUI Audio (Figura 3), un transceptor ultrasónico de 40 kHz, es una opción viable para esta configuración. Tiene un diámetro de solo 14.4 milímetros (mm) y una altura de 9 mm. Está diseñado para funcionar con una tensión de CA de 140 voltios pico a pico (V_p-p) y presenta una carga nominal de 1800 picofaradios (pF) al controlador. Su ecosensibilidad es superior a 200 milivoltios (mV) y su directividad es de 70° ±15°.

Figura 3: El UTR-1440K-TT-R es un transceptor ultrasónico básico de 40 kHz que combina un transmisor y un receptor en un solo receptáculo. (Fuente de la imagen: PUI Audio)

En algunos casos, los transductores de la fuente y el receptor son dispositivos separados, pero están situados uno junto al otro en lo que se denomina disposición colocada (figura 4).

Figura 4: en una disposición coubicada, la fuente y el receptor de ultrasonidos están situados uno junto al otro. (Fuente de la imagen: Science and Education Publishing Co.)

Otra opción es que estén separados por una distancia considerable y, además, tengan orientaciones diferentes si el objeto detectado está en ángulo. Esto se denomina configuración biestática. En este caso, el objeto desvía la energía incidente en lugar de reflejarla hacia la fuente. Los dispositivos independientes también permiten una selección flexible para adaptarse a la aplicación. También permite flexibilizar la potencia del circuito de accionamiento del transmisor, ya que deja de estar próximo a los sensibles circuitos analógicos del receptor.

Para estas situaciones, un emparejamiento como el transmisor ultrasónico UT-1640K-TT-2-R de 40 kHz y el receptor ultrasónico UR-1640K-TT-2-R puede ser una buena elección. El transmisor mide 12 mm de alto y tiene un diámetro de 16 mm. Requiere solo 20 V_RMS y produce un SPL de 115 dB con una capacitancia nominal de 2100 pF y una directividad de 80° de ancho de haz. El receptor complementario tiene el mismo aspecto, dimensiones, directividad y capacitancia que el transmisor (Figura 5).

Figura 5: El transmisor ultrasónico UT-1640K-TT-2-R y el receptor ultrasónico UR-1640K-TT-2-R ofrecen funciones diferentes y complementarias, pero tienen el mismo factor de forma y las mismas dimensiones. (Fuente de la imagen: PUI Audio)

Detección del flujo de fluidos

Más allá de la detección básica de objetos, los transductores ultrasónicos se utilizan para la medición no invasiva y sin contacto de caudales de líquidos y gases. Para estas aplicaciones, los transductores funcionan a frecuencias más altas, normalmente superiores a 200 kHz, para proporcionar la resolución de medición necesaria.

En una aplicación típica de caudal, se colocan dos sensores a una distancia conocida. A continuación, puede calcularse el caudal a partir de la distancia y el tiempo de tránsito que tarda el sonido en viajar entre los dos transductores en ambas direcciones, ya que el fluido en movimiento transporta la energía ultrasónica a velocidades diferentes en cada dirección.

Esta diferencia de tiempo es directamente proporcional a la velocidad del líquido o gas en la tubería. La determinación de la velocidad de flujo (V_f) comienza con la ecuación: V_f = K × Δt/T_L, donde K es un factor de calibración para las unidades de volumen y tiempo utilizadas, Δt es el diferencial de tiempo entre los tiempos de tránsito aguas arriba y aguas abajo, y T_L es el tiempo de tránsito de flujo cero.

A esta ecuación básica se añaden varios factores de compensación y corrección para tener en cuenta la temperatura del fluido y el ángulo entre los transductores y la tubería, entre otras consideraciones. En la práctica, un caudalímetro ultrasónico requiere "hardware" y accesorios del mundo real (Figura 6).

Figura 6: un caudalímetro ultrasónico de tiempo de tránsito real requiere diversos accesorios y conexiones; obsérvense los transductores ultrasónicos dobles. (Fuente de la imagen: Circuit Digest)

Los medidores de caudal en tiempo de tránsito funcionan bien con líquidos viscosos, siempre que el número de Reynolds en el flujo mínimo sea inferior a 4000 (flujo laminar) o superior a 10,000 (flujo turbulento), pero presenta importantes no linealidades en la región de transición entre ambos. Se utilizan para medir el caudal de crudo en la industria petrolera, y también se emplean ampliamente para medir líquidos criogénicos hasta -300 °C, así como para la medición del caudal de metal fundido, dos temperaturas extremas.

PUI ofrece transductores ultrasónicos diseñados específicamente para aplicaciones de flujo de fluidos en tiempo de tránsito. El UTR-18225K-TT funciona a 225 ±15 kHz y tiene el estrecho ángulo del haz necesario para esta aplicación, de solo ±15°. Este transductor de transmisión/recepción tiene un diámetro de 18 mm y una altura de 9 mm con 2200 pF de capacitancia. Puede accionarse con un tren de ondas cuadradas de 12 V_p-p y hasta 100 V_p-p con un ciclo de trabajo o útil bajo.

También lleva circuitos de accionamiento y acondicionamiento de señales

Un sistema de detección por ultrasonidos comprende algo más que los transductores piezoeléctricos. Se necesitan circuitos adecuados y muy diferentes para satisfacer los requisitos de accionamiento del transductor en el modo de transmisión y para el acondicionamiento de señales de front-end analógico (AFE) de bajo nivel en el modo de recepción. Aunque algunos usuarios construyen sus propios circuitos, existen CI que pueden proporcionar cómodamente las funciones básicas de accionamiento y AFE junto con características adicionales.

Por ejemplo, el PGA460 de Texas Instruments es un CI de 16 terminales y 5.00 mm × 4.40 mm diseñado para su uso con transceptores como el transceptor ultrasónico UTR-1440K-TT-R de 40 kHz de PUI Audio. Este CI de nivel de sistema altamente integrado proporciona un controlador de transductor ultrasónico y un acondicionador de señal en chip e incluye un núcleo de procesador de señal digital (DSP) avanzado (Figura 7).

Figura 7: el PGA460 es una interfaz completa para las funciones de transmisión y recepción de un transductor ultrasónico. Incluye circuitos de control de potencia, un AFE y un núcleo DSP para ejecutar algoritmos relacionados. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El PGA460 dispone de un par de controladores de lado bajo complementarios que pueden controlar un transductor en una topología basada en transformador para voltajes de control más altos mediante el uso de un transformador elevador, o en una topología de control directo mediante el uso de FET de lado alto externos para voltajes de control más bajos. El AFE consta de un amplificador de bajo ruido (LNA) seguido de una etapa de ganancia variable en el tiempo programable que alimenta un convertidor de analógico a digital (ADC). La señal digitalizada es procesada en el núcleo DSP para detección de objetos de campo cercano y campo lejano utilizando umbrales que varían con el tiempo.

La ganancia variable en el tiempo que ofrece el PGA460 es una característica que se utiliza a menudo con transductores ultrasónicos, ya sea para la detección básica de objetos o para sistemas avanzados de obtención de imágenes médicas. Ayuda a superar el factor de atenuación inevitable, aunque conocido de antemano, de la energía de la señal acústica a medida que se propaga por el medio.

Como esta atenuación y la velocidad de propagación son conocidas, es posible compensar la pérdida inevitable "aumentando" la ganancia del AFE en función del tiempo, anulando así el efecto de atenuación en función de la distancia. El resultado es que la relación señal/ruido (SNR) del sistema se maximiza independientemente de la distancia de detección, y el sistema puede manejar una gama dinámica más amplia de señales recibidas.

Para explorar más a fondo el uso de estos transceptores, Texas Instruments ofrece el módulo de evaluación PGA460PSM-EVM, que funciona con el transceptor ultrasónico UTR-1440K-TT-R de 40 kHz de PUI Audio (Figura 8).

Figura 8: El módulo de evaluación PGA460PSM-EVM se basa en el PGA460 y simplifica la exploración del funcionamiento del sistema ultrasónico utilizando el transceptor ultrasónico UTR-1440K-TT-R de 40 kHz de PUI Audio. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Este módulo solo necesita unos pocos componentes externos y una fuente de alimentación para funcionar (Figura 9). Se controla mediante comandos recibidos desde una interfaz gráfica de usuario (GUI) basada en PC, a la que devuelve los datos para su visualización y posterior análisis. Además de las funciones básicas y el ajuste de los parámetros operativos, permite a los usuarios visualizar el perfil del eco ultrasónico y los resultados de las mediciones.

Figura 9: El módulo de evaluación PGA460PSM-EVM se conecta a un PC con una GUI que permite a los usuarios manejar y controlar el transductor y ver formas de onda críticas, entre otras funciones. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Conclusión:

Los transductores ultrasónicos piezoeléctricos ofrecen una forma cómoda y eficaz de detectar objetos cercanos e incluso medir su distancia. Son fiables, fáciles de aplicar y ayudan a los diseñadores a evitar problemas de regulación del espectro de RF o EMI/RFI. También pueden utilizarse para la medición sin contacto de caudales de fluidos. Los CI de interfaz para sus funciones de transmisión y recepción, respaldados por un kit de evaluación, simplifican su integración en un sistema a la vez que proporcionan flexibilidad en la configuración de sus parámetros de funcionamiento.