WEBENCH® 超音波トランスデューサ・セレクタ

時間/デジタル・コンバータ(TDC)のタイム・オブ・フライト(TOF、飛行時間)を迅速に計算

WEBENCH® 超音波トランスデューサ・セレクタ・ツールは、超音波センシングのニーズを満たす適切なトランスデューサの選択に役立ちます。液面、液体の種類と濃度、または流量といったセンシングの種類に基づいて計算が実行されます。 

 液面検出の場合は、最小と最大の液面、精度、媒質となる素材中での音速に基づいてタイム・オブ・フライト(TOF)が計算されます。車載用オプションを使用すると、システムで使用するための適切なトランスデューサ製品が提示されます。 

 液体の識別/濃度の場合は、距離、媒質中の音速、媒質内での変化のパーセンテージに基づいてタイム・オブ・フライト(TOF)が計算されます。車載用オプションを使用すると、システムで使用するための適切なトランスデューサ製品が提示されます。 

 、 ガス、 熱の流量の場合は、トランスデューサの配置、トランスデューサの間隔、直径、媒質中の音速、最小と最大の流量、流量の誤差に基づいて TOF が計算されます。

3 つの簡単なステップで TOF を計算 

  • センシング測定タイプの選択
  • センシング環境のカスタマイズ
  • システムに対して推奨されるモジュール、センサ、資料の表示

手順の説明

WEBENCH 超音波トランスデューサ・セレクタ・ツールを使用すると、統合型のアナログ・フロント・エンド(AFE)ファミリから、適切な時間/デジタル・コンバータ・コンポーネントを識別できます。AFE の用途は、車載用、産業用、医療、コンシューマの各市場で一般的に見受けられる、液面、液体識別/濃度、流量、近接性/距離を超音波センシングで測定するアプリケーションです。最初に、センシングの測定タイプを選択します。次に、このツールにより、使いやすい入力ボックス、ドロップダウン、スライダ・バーが表示され、センシング環境を正確にカスタマイズできます。その後、期待される TOF と精度、アプリケーションに適した TI Design、推奨されるセンサ、資料、評価モジュールが表示されます。

TI の超音波 AFE には、広い範囲のアプリケーションと最終機器に対応できるプログラマビリティとフレキシビリティがあります。TDC はストップウォッチの機能を果たし、START パルスから、最大 5 つの STOP パルスまでの経過時間(TOF)を測定します。START から複数の STOP までの時間を測定する機能により、どの STOP パルスが最善のエコー性能を発揮するかを選択できるフレキシビリティが得られます。

TDC 製品を、MSP430/C2000 マイコンの電力特性、ワイヤレス機能、ソース・コードと組み合わせると、包括的な超音波センシング・ソリューションを実現できます。複数の動作モードから選択を行うと、TDC ファミリを低消費電力重視で最適化し、バッテリ動作の流量計、液面計測器、距離/近接性測定機器に最適な特性が得られます。このモードでは、ホストはスリープ・モードに移行して電力を節約し、測定シーケンスが完了した時点で TDC から割り込みを受け取ってウェークアップすることができます。低雑音のアンプとコンパレータにより、非常に小さいジッタを実現し、ピコ秒単位の分解能と精度を達成できます。

ステップ 1:センシング測定タイプの選択

このツールの上部には、測定タイプのビューを選択するためのタブがあります(図 1)。超音波センシング測定には、次の 3 つの方法があります。

  • 液面検出
  • 液体の識別/濃度
  • 水/ガス/熱の流量のメーター

 

図 1:測定タイプの選択。

ステップ 2:センシング環境のカスタマイズ

図 2:センシング環境のカスタマイズ。

センシング測定タイプごとに、複数のカスタム出力が利用できます。

  1. 液面検出
    この測定タイプでは、スライド・バーを使用した最小と最大の液面の設定、精度の決定、媒質中での音速の選択を実行できます。車載用の Q グレードに対応するチェックボックスをオンにすると、オートモーティブ・グレードのリファレンスを表示できます。

    このアプリケーションでは、タンク/コンテナ内の液面を検出することを想定しています。トランスデューサは非侵襲型で、タンクの底面に取り付けられています。TDC1000 のような超音波 AFE を使用する場合は、TOF を求めることができます。これは、超音波が液体の中を貫通し、液面に当たり、トランスデューサに戻るまでに要した時間です。TOF と媒質中の音速が得られた場合は、TOF =(2* 距離)/(媒質中の音速)という式を使用して液面を計算できます。 

  2. 液体の識別/濃度
    このセンシング・タイプでは、センシング構成の距離、媒質中の音速、媒質内の混合比または変化のパーセンテージを選択します。車載用のリファレンスに対応するチェックボックスをオンにして、オートモーティブ・グレードのリファレンスを表示することもできます。

    このアプリケーションの目的は、タンクの中にある液体の種類、タンク内の濃度、またはタンク内の液体に対して変更が加えられた回数を識別することです。この場合は、超音波センサ(トランスデューサ)を、非侵襲型でタンクの側面に取り付けます。TDC1000 のような超音波 AFE を使用してトランスデューサを励起し、TOF を求めることができます。TOF とタンクの幅(または距離)が得られた場合は、TOF =(2* 距離)/(媒質中の音速)という式を使用して、媒質中の音速を計算できます。媒質中の音速は、媒質の識別や濃度に類似しています。 

  3. 水/ガス/熱の流量
    流量計アプリケーションの目標は、パイプ内を流れる水、ガス、または熱の流量を測定することです。このアプリケーションでは、2 個のトランスデューサが必要です。これらのトランスデューサは、非侵襲型で取り付けることができます。
    • 横並びの取り付け(図 2)
    • 45° の相対角度で取り付け(図 3)

    その後、トランスデューサの間隔、コンテナの直径、媒質中の音速、最小と最大の流量、流量の誤差を選択できます。
図 3:45° の相対角度を設けたセンサ配置の構成。

超音波 AFE は複数のトランスデューサを励起し、それらのトランスデューサから反射されたエコーを処理する必要があります。トランスデューサ 1 は流れと同じ方向に進む場合の TOF を測定し、トランスデューサ 2 は流れと逆の方向に進む場合の TOF を測定します。AFE はトランスデューサ 1 を励起し、トランスデューサ 1 は液体(水/ガス/熱)に向かって超音波を放射します。その後、トランスデューサ 2 は超音波を受信します。この時間を t12 と呼びます。今度は、AFE はトランスデューサ 2 を励起し、トランスデューサ 2 は液体(水/ガス/熱)に向かって超音波を放射します。その後、トランスデューサ 1 は超音波を受信します。この時間を t21 と呼びます。TOF の差分は、パイプ内の流量に類似した値になります。

ステップ 3:結果と推奨の表示

図 4 に示すビューでは、流量構成の例に関する結果パネルが表示されています。各結果パネルには、次の項目が表示されます。

  • 計算された TOF または TOF の差分(ΔTOF)、および精度
  • TOF または ΔTOF の計算に使用した式と、精度の計算に使用した式
  • 構成に対して推奨される評価モジュール
  • アプリケーションに適した TI Design
  • システムでの使用が推奨されるセンサ
  • 推奨技術資料
図 4:45° の相対角度で流量を測定する構成に関する結果パネル

WEBENCH 超音波トランスデューサ・セレクタ・ツールを使用すると、容易に計算を実行し、システムに適した評価モジュールとセンサを見つけることができます。TI の TDC を選択すると、包括的な超音波センシング・ソリューションとともに、推奨センサ、リファレンス・デザイン、技術資料が表示されます。

主なパラメータと単位の用語解説:

AFE:アナログ・フロント・エンド

EVM:評価モジュール

TDC:時間/デジタル・コンバータ

TOF:タイム・オブ・フライト(飛行時間)、つまり START パルスと最大 5 つの STOP パルスの間の経過時間

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