Noções Básicas da Aplicação de Transdutores Ultrassônicos para Sensoriamento de Objetos ou Fluxo de Fluidos

A Internet das Coisas (IoT) e o papel cada vez maior da inteligência artificial (IA) na borda da rede aumentaram o interesse em tornar os aplicativos mais inteligentes e conscientes do ambiente. Como resultado, os projetistas precisam considerar opções de sensoriamento adequadas, muitas das quais podem se basear em tecnologias bem estabelecidas para evitar a complexidade. Por exemplo, a energia ultrassônica é amplamente utilizada para detectar a presença de objetos próximos e até mesmo determinar sua distância, bem como para medir taxas de fluxo de fluidos.

As vantagens do ultrassom são que ele é relativamente fácil de aplicar, é preciso, tem fatores mínimos de segurança ou risco, não tem restrições regulatórias e evita a alocação de espectro de radiofrequência (RF), bem como problemas de interferência eletromagnética (EMI) e interferência de radiofrequência (RFI).

Embora seja uma metodologia bem estabelecida, para aproveitar totalmente os benefícios do sensoriamento ultrassônico, os projetistas precisam ter um bom entendimento de seus princípios operacionais, dos componentes disponíveis e dos requisitos dos circuito associados. Eles também devem considerar abordagens de arquiteturas, como o uso de unidades de transmissão e recepção separadas — o que permite a colocação de cada uma em locais diferentes — ou o uso de um transceptor combinado de unidade única. Por fim, eles devem fornecer um emissor e um receptor eletrônicos adequados que possam operar na frequência ideal para sensoriamento/detecção de posição e sensoriamento de fluxo de fluido.

Este artigo apresenta uma introdução básica aos transdutores ultrassônicos e sua aplicação na detecção de objetos e no sensoriamento de fluxo. São apresentados dispositivos ultrassônicos reais da PUI Audio como exemplo, um CI controlador apropriado e um kit de desenvolvimento associado são descritos para permitir o desenvolvimento das aplicações.

Princípio simples, adotado da natureza

A detecção ultrassônica é uma versão sofisticada do princípio básico de ecolocalização usado por animais como golfinhos e morcegos (Figura 1).

Figura 1: a detecção acústica eletrônica e o sensoriamento de posição têm suas origens na ecolocalização, que é efetivamente usada por criaturas vivas, como os morcegos. (Fonte da imagem: Wikipedia)

Em operação, um breve pulso de energia acústica é gerado por um transdutor, que geralmente é um dispositivo piezoelétrico. Depois que o pulso termina, o sistema muda para o modo de recepção e aguarda a reflexão (eco) desse pulso. Quando a energia acústica transmitida encontra uma transição ou descontinuidade de impedância, como entre o ar e um objeto sólido, parte dessa energia é refletida e pode ser detectada, geralmente por um dispositivo piezoelétrico.

A impedância acústica baseia-se na densidade e na velocidade acústica de um determinado material, e é importante determinar a quantidade de reflexão que ocorre no limite de dois materiais com impedâncias acústicas diferentes.

A proporção de energia que é refletida é uma função do tipo de material e de seu coeficiente de absorção, bem como do diferencial de impedância no limite entre os materiais. Materiais duros, como pedra, tijolo ou metal, refletem mais do que materiais macios, como tecido ou almofadas.

A impedância acústica do ar é quatro ordens de magnitude menor do que a da maioria dos líquidos ou sólidos. Como resultado, a maior parte da energia ultrassônica é refletida para o transdutor com base na grande diferença dos coeficientes de reflexão. A seção transversal acústica é uma métrica análoga à seção transversal do radar e é determinada pelo material e pelo tamanho do objeto-alvo.

Essa detecção e o sensoriamento de distância são semelhantes ao que acontece quando a energia de RF do radar ou a energia óptica lidar encontra uma descontinuidade de impedância e parte dessa energia é refletida de volta para a fonte. No entanto, embora o conceito geral seja o mesmo, há uma grande diferença: a energia do ultrassom não é energia eletromagnética. Seu uso do espectro de frequência não é regulamentado e tem pouquíssimas restrições. Uma restrição pertinente é o nível de pressão sonora (SPL) excessivo, uma consideração que, em geral, não é relevante para aplicações de sensoriamento/detecção, pois a maioria deles opera em níveis de potência bastante baixos.

Propagação e matéria importam

Há uma outra grande diferença: o sensoriamento/detecção por ultrassom só pode ser usado em um meio de propagação, como o ar, outros gases ou líquidos. As características de atenuação e propagação da energia acústica através de vários meios são o oposto da energia óptica e de RF. A energia acústica se propaga bem através de líquidos, enquanto a energia de RF geralmente não se propaga. A energia óptica também tem alta atenuação na maioria dos líquidos. Além disso, ao contrário da energia acústica, tanto a RF quanto a óptica têm baixa atenuação no vácuo.

Em sua implementação mais simples, o sistema ultrassônico é usado apenas para detectar a presença ou ausência de um objeto ou pessoa dentro de uma zona geral de interesse, detectando um sinal de retorno com suficiente intensidade. Ao adicionar uma medição de tempo, a distância até o alvo também pode ser determinada.

Em sistemas mais sofisticados em que a distância até o objeto também precisa ser calculada, uma equação simples pode ser usada: distância = ½ (velocidade × tempo), usando o tempo de ida e volta entre o pulso emitido e a reflexão recebida e a velocidade estabelecida do som no ar, que é de cerca de 343 metros por segundo (m/s) a +20 °C (+68 °F). Se o meio for um fluido ou gás diferente do ar, a velocidade de propagação apropriada deverá ser usada.

Observe que a velocidade do som no ar varia ligeiramente com a temperatura e a umidade. Portanto, as aplicações de sensoriamento de distância ultraprecisas exigem que um ou ambos os fatores sejam conhecidos e que um fator de correção seja adicionado à equação básica.

É interessante notar que, como exemplo de engenheiros que transformam um fator negativo em positivo, há sistemas avançados de sensoriamento de temperatura que exploram essa mudança na velocidade de propagação em relação à temperatura. Esses sistemas medem a temperatura usando o tempo preciso da reflexão do pulso de ultrassom refletido em uma distância conhecida. Em seguida, eles fazem uma "correção reversa" para determinar a temperatura que teria causado essa alteração na velocidade de propagação.

Os parâmetros do transdutor iniciam o processo

Depois de determinar os requisitos da aplicação, os projetistas devem selecionar um emissor de áudio adequado e um receptor associado que possa operar na frequência apropriada, normalmente em 40 quilohertz (kHz) relativamente altos para sensoriamento/detecção de posição e várias centenas de quilohertz para sensoriamento de fluxo de fluido. Os benefícios dos transdutores de alta frequência incluem maior resolução e diretividade focada (padrão de feixe voltado para a frente), mas a desvantagem é o aumento da atenuação do caminho do sinal.

A taxa na qual a energia ultrassônica se dispersa e é absorvida enquanto se propaga por meio do ar aumenta com a frequência. Isso resulta em uma diminuição da distância máxima detectável se outros fatores forem mantidos constantes. A frequência de 40 kHz é um tradeoff entre fatores como eficiência, atenuação, resolução e tamanho físico, todos relacionados ao comprimento de onda.

Para começar o processo de seleção, é útil saber que os transdutores usados para sensoriamento ultrassônico são caracterizados por vários parâmetros de alto nível. Entre eles estão:

• Frequência de operação, tolerância e largura de banda: conforme observado, 40 kHz é comum para muitas aplicações básicas, com tolerância e largura de banda típicas de vários quilohertz.
• Nível de tensão de acionamento: determina o nível de tensão para o qual o transdutor oferece desempenho ideal. Ele pode variar de algumas dezenas de volts a 100 volts ou mais.
• SPL: define a magnitude da saída de áudio no nível do emissor definido; pode facilmente atingir 100 decibéis (dB) ou mais. O SPL mais alto oferece cobertura em distâncias maiores (uma aplicação típica de ultrassom tem um alcance de dezenas de metros).
• Sensibilidade do receptor: caracteriza a saída de tensão do transdutor piezoelétrico em um determinado SPL. Quanto mais alto for esse número, mais fácil será superar o ruído do sistema e fornecer uma leitura precisa.
• Diretividade: define a propagação do feixe transmitido, bem como a faixa angular na qual o receptor é mais sensível. Os valores típicos variam de 60° a 80° em 40 kHz, geralmente medidos até o ângulo em que a resposta está 6 dB abaixo do valor no ângulo de 0°.

Posicionamento dos transdutores

Um dos fatores que determinam a escolha de um transdutor é a posição e a orientação relativas do objeto que está sendo detectado. Se o objeto estiver diretamente na frente da fonte e total ou parcialmente em um ângulo reto em relação à energia incidente, parte dessa energia incidente será refletida diretamente de volta para a fonte.

Nessa situação, o uso de um único transdutor para as funções de transmissão e recepção (chamado de arranjo monostático) pode simplificar a configuração física e, ao mesmo tempo, minimizar os requisitos de espaço e o custo do transdutor (Figura 2).

Figura 2: em um arranjo monostático, um único transdutor é usado para as funções de transmissão e recepção. (Fonte da imagem: Science and Education Publishing Co.)

O UTR-1440K-TT-R da PUI Audio (Figura 3), um transceptor ultrassônico de 40 kHz, é uma opção viável para essa configuração. Ele tem um diâmetro de apenas 14,4 milímetros (mm) e uma altura de 9 mm. Foi projetado para operar com uma tensão de acionamento CA de 140 volts de pico a pico (V_p-p) e apresenta uma carga nominal de 1800 picofarads (pF) para o emissor. Sua sensibilidade de eco é melhor que 200 milivolts (mV) e sua diretividade é de 70° ±15°.

Figura 3: o UTR-1440K-TT-R é um transceptor ultrassônico básico de 40 kHz que combina um transmissor e um receptor em um único invólucro. (Fonte da imagem: PUI Audio)

Em alguns casos, os transdutores da fonte e do receptor são dispositivos separados, mas estão localizados um ao lado do outro, no que é chamado de arranjo colocado (Figura 4).

Figura 4: em um arranjo colocado, a fonte e o receptor ultrassônicos estão localizados adjacentes um ao outro. (Fonte da imagem: Science and Education Publishing Co.)

Outra opção é tê-los separados por uma distância considerável e também ter orientações diferentes se o objeto que está sendo detectado estiver em um ângulo. Isso é chamado de configuração bistática. Nesse caso, o objeto desvia a energia incidente em vez de refleti-la de volta para a fonte. Dispositivos separados também permitem flexibilidade na seleção de acordo com a aplicação. Isso também permite flexibilidade na potência do circuito de acionamento do transmissor, pois não está mais próximo do sensível circuito analógico do receptor.

Para essas situações, um emparelhamento como o transmissor ultrassônico UT-1640K-TT-2-R de 40 kHz e o receptor ultrassônico UR-1640K-TT-2-R pode ser uma boa escolha. O transmissor mede 12 mm de altura e tem um diâmetro de 16 mm. Ele requer apenas 20 V_RMS para o acionamento e produz um SPL de 115 dB enquanto apresenta uma capacitância nominal de 2100 pF e uma diretividade de 80° de largura de feixe. O receptor complementar tem a mesma aparência, dimensões, diretividade e capacitância que o transmissor (Figura 5).

Figura 5: o transmissor ultrassônico UT-1640K-TT-2-R e o receptor ultrassônico UR-1640K-TT-2-R oferecem funções diferentes e complementares, mas têm o mesmo fator de forma e dimensões. (Fonte da imagem: PUI Audio)

Sensoriamento de fluxo de fluido

Além da detecção básica de objetos, os transdutores ultrassônicos são usados para a medição não invasiva e sem contato das taxas de fluxo de líquidos e gases. Para essas aplicações, os transdutores operam em frequências mais altas, normalmente acima de 200 kHz, para fornecer a resolução de medição necessária.

Em uma aplicação típica de fluxo, dois sensores são colocados a uma distância conhecida um do outro. A taxa de fluxo pode então ser calculada com base na distância e no tempo de trânsito que o som leva para viajar entre os dois transdutores em ambas as direções, pois o fluido em movimento transporta a energia ultrassônica em velocidades diferentes em cada direção.

Essa diferença de tempo é diretamente proporcional à velocidade do líquido ou do gás na tubulação. A determinação da velocidade de fluxo (V_f) começa com a equação: V_f = K × Δt/T_L, em que K é um fator de calibração para as unidades de volume e tempo usadas, Δt é o diferencial de tempo entre os tempos de trânsito a montante e a jusante, e T_L é o tempo de trânsito de fluxo zero.

Vários fatores de compensação e correção são adicionados a essa equação básica para levar em conta a temperatura do fluido e o ângulo entre os transdutores e o tubo, entre outras considerações. Na prática, um medidor de vazão ultrassônico requer "ferragens" e conexões reais (Figura 6).

Figura 6: um medidor de vazão ultrassônico por tempo de trânsito real requer vários adaptadores e conexões; observe os transdutores ultrassônicos duplos. (Fonte da imagem: Circuit Digest)

Os medidores de vazão por tempo de trânsito funcionam bem com líquidos viscosos, desde que o número de Reynolds no fluxo mínimo seja inferior a 4.000 (fluxo laminar) ou superior a 10.000 (fluxo turbulento), mas apresente não linearidades significativas na região de transição entre os dois. Eles são usados para medir o fluxo de óleos brutos no setor de petróleo e também são amplamente usados para medir líquidos criogênicos até -300 °C, bem como para medição de fluxo de metal fundido — dois extremos de temperatura.

A PUI oferece transdutores ultrassônicos que são projetados especificamente para aplicações de fluxo de fluido por tempo de trânsito. O UTR-18225K-TT opera a 225 ±15 kHz e tem o ângulo de feixe estreito, necessário para essa aplicação, com apenas ±15°. Esse transdutor de transmissão/recepção tem um diâmetro de 18 mm e uma altura de 9 mm com 2200 pF de capacitância. Ele pode ser acionado com um trem de ondas quadradas de 12 V_p-p e até 100 V_p-p em um baixo ciclo de trabalho.

Também são necessários circuitos de acionamento e condicionamento de sinal

Um sistema de detecção ultrassônica compreende mais do que apenas os transdutores piezoelétricos. São necessários circuitos apropriados e muito diferentes para atender aos requisitos de acionamento do transdutor no modo de transmissão e para o condicionamento de sinal de front-end analógico (AFE) de baixo nível no modo de recepção. Embora alguns usuários construam seus próprios circuitos, há CIs disponíveis que podem fornecer convenientemente as funções básicas de acionamento e AFE, além de recursos adicionais.

Por exemplo, o PGA460 da Texas Instruments é um CI de 16 terminais de 5,00 mm × 4,40 mm projetado para uso com transdutores, como o transceptor ultrassônico UTR-1440K-TT-R de 40 kHz, da PUI Audio. Esse CI de nível de sistema altamente integrado fornece um excitador para transdutor ultrassônico e condicionador de sinal no chip e inclui um núcleo de processador de sinal digital (DSP) avançado (Figura 7).

Figura 7: o PGA460 é uma interface completa para as funções de transmissão e recepção de um transdutor ultrassônico. Ele inclui um circuito de amplificação, um AFE e um núcleo DSP para executar algoritmos relacionados. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O PGA460 apresenta um par de acionadores complementares do lado de baixa que pode excitar um transdutor em uma topologia baseada em transformador para tensões de acionamento mais altas usando um transformador elevador ou em uma topologia de acionamento direto usando FETs externos do lado de alta para tensões de acionamento mais baixas. O AFE consiste em um amplificador de baixo ruído (LNA) seguido por um estágio programável de ganho variável no tempo que alimenta um conversor analógico para digital (ADC). O sinal digitalizado é processado no núcleo DSP para detecção de objetos em campo próximo e em campo distante usando limites variáveis no tempo.

O ganho variável no tempo oferecido pelo PGA460 é um recurso frequentemente usado com transdutores ultrassônicos, seja para detecção básica de objetos ou para sistemas avançados de imagens médicas. Ele ajuda a superar o inevitável, porém já conhecido, fator de atenuação da energia do sinal acústico à medida que ele se propaga pelo meio.

Como essa atenuação e a velocidade de propagação são conhecidas, é possível compensar a perda inevitável "aumentando" o ganho do AFE em relação ao tempo, cancelando efetivamente o efeito da atenuação em relação à distância. O resultado é que a relação sinal-ruído (SNR) do sistema é maximizada independentemente da distância de sensoriamento e o sistema pode lidar com uma faixa dinâmica mais ampla de sinais recebidos.

Para explorar ainda mais o uso desses transdutores, a Texas Instruments oferece o módulo de teste PGA460PSM-EVM, que funciona com o transceptor ultrassônico UTR-1440K-TT-R de 40 kHz, da PUI Audio (Figura 8).

Figura 8: o módulo de teste PGA460PSM-EVM é baseado no PGA460 e simplifica a exploração da operação do sistema ultrassônico usando o transceptor ultrassônico UTR-1440K-TT-R de 40 kHz, da PUI Audio. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Esse módulo requer apenas alguns componentes externos e uma fonte de alimentação para funcionar (Figura 9). Ele é controlado por comandos recebidos de uma interface gráfica do usuário (GUI) baseada em PC, para a qual retorna dados para exibição e análise posterior. Além da funcionalidade básica e da configuração dos parâmetros operacionais, ele permite que os usuários exibam o perfil do eco ultrassônico e os resultados da medição.

Figura 9: o módulo de teste PGA460PSM-EVM se conecta a um PC com uma GUI que permite aos usuários operar e controlar o transdutor e ver formas de onda críticas, entre outras funções. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Conclusão

Os transdutores ultrassônicos piezoelétricos oferecem uma maneira conveniente e eficaz de detectar objetos próximos e até mesmo medir sua distância. Eles são confiáveis, fáceis de aplicar e ajudam os projetistas a evitar o espectro de RF ou problemas regulatórios de EMI/RFI. Eles também podem ser usados para medição sem contato das taxas de fluxo de fluidos. Os CIs de interface para as funções de transmissão e recepção, apoiados por um kit de teste, simplificam sua integração em um sistema e oferecem flexibilidade na configuração dos parâmetros operacionais.