Ultrasoon (peilbuis)meter

Voor mijn stage ben ik op een project gezet waarbij de waterstand in een peilbuis gemeten moet worden mbv ultrasoon. Er ligt een prototype wat nog niet optimaal werkt.

Er wordt gebruik gemaakt van een ekulit A-12p10 transducer. Volgens de datasheet mag deze 150v PP hebben. Op dit moment wordt hij echter aangestuurd met 18v PP (9v*2 dmv inverter), maar dat blijkt te weinig te zijn.

Mijn vraag: hoe kan ik de voedingsspanning van 9v nog verder opkrikken? Ik zat te denken aan een trafootje maar dit is met het oog op kosten/ruimte niet echt de beste optie.
[Bericht gewijzigd door wieltje op 1 september 2008 15:55:22]

Lijkt me toch de meest handige oplossing. Trafo hoeft niet groot te zijn. Andere methode voor hogere spanning :
Cascode, geschakelde capaciteiten, of geschakelde voeding, ( heeft ook spoel nodig)

140Vp-P staat er toch? Maar goed.
Interessant, ik gellof echter niet dat ik ooit een ultrasoon peilbuis heb gezien, voornamelijk omdat een standaard ultrasoonmeting nogal problemen geeft in een buis door reflecties. ik ben wel nieuwsgierig of je daar rekening mee gehouden hebt, of je daar een oplossing voor bedacht hebt en hoe dat gaat aflopen.

Ik was zo vrij geweest om dat te interpreteren als V PP, al tijwelde ik daar nog wel over.
Wat is Vp-P precies?

Vandaag mijn eerste stagedag, het idee/prototype was er al en ik ben me dus nog aan het inlezen op de techniek en het ontwerp. Voor wat ik tot dusver begrepen heb is ie zo gevoelig is ingesteld dat het ook bij vervorming door reflecties nog werkt. Gevolg is echter dat bij een kleine oneffenheid (koppelstuk in de buis bv) al niet meer juist werkt.

Mij is gevraagd om er in eerste instantie voor te zorgen dat er een 'hardere' puls gegenereerd wordt. Men dacht dat dit de oplossing voor de problemen is.
Jij zegt dus eigenlijk dat dat geen zin heeft en dat (standaard) ultrasoonmeting sowieso niet goed gaat werken?
[Bericht gewijzigd door Henry S. op 1 september 2008 19:55:51]

quote:

Op 1 september 2008 19:06:07 schreef wieltje:
Ik was zo vrij geweest om dat te interpreteren als V PP, al tijwelde ik daar nog wel over.
Wat is Vp-P precies?

Ik ben daar ook geen deskundige in hoor. Maar het lijkt mij dat er slechts hele korte spanningspiekjes op mogen van max. 0,4ms bij een pauzetijd van 10ms.

quote:

Jij zegt dus eigenlijk dat dat geen zin heeft en dat (standaard) ultrasoonmeting sowieso niet goed gaat werken?

Nee hoor, ik zeg alleen wat ik meen te weten. De standaardoplossingen werken iig niet in een buis en een peilbuis lijkt mij echter maar een dunnerig buisje, vandaar mijn vragen of je dat wist en hoe je dacht problemen voor te blijven.
Ik ben dus gewoon erg benieuwd hoe je dit gaat oplossen en of het goed gaat werken.
Reflecties krijg je in ieder geval, de "geluidsstraal" van een ultrasoonkop is altijd een nogal breed uitwaaierende.
Je krijgt van een uitgezonden puls dus nooit een mooie scherpe puls terug.

Als het een stage is het prima: je kost daar weinig geld neem ik aan en kunt wellicht toch nog iets mooist maken. En als het niet lukt zal je er ongetwijfeld veel van opsteken
[Bericht gewijzigd door GJ_ op 1 september 2008 20:48:15]

Kijk anders hier :
http://www.freepatentsonline.com/5309763.html

Dat het kleine piekjes mogen zijn had ik wel begrepen, aan de voorwaarde 40khz max 0.4/10 ms wordt dan ook voldaan.
Ik zal nog eens kijken of ik de reflecties kan verminderen mbv verschillende koppen/richters rond de transducer.

@sponcebert, De transducer wordt nu aangestuurd met een 40khz blokgolf. Met een spoeltje parallel aan de transducer krijg je dan toch een soort 'geschakelde voeding' waar je het over had?

Ik heb overigens nog even verder gekeken naar trafo's; een smd minitrafootje zou wbt omvang ook nog wel te doen zijn. Deze blijken echter lastig te vinden. Heeft iemand enig idee waar ik smd trafootjes kan vinden die hiervoor geschikt zouden zijn (40 KHz, 1:10)?

[ot]@Henry, wat was er mis met mijn post?

Als je een spoel in serie zet - die dan moet resoneren met de capaciteit van de transducer - kun je veel meer spanning op de transducer krijgen dan je zelf hoeft aan te bieden.
Utrans = Uin * Q.

Dit type transducer kan geweldig veel lawaai genereren, als je heb op z'n resonantiefrequentie aanstuurt, met een betrekkelijk lage spanning, da's een voordeel dat je hebt.

Wat voor type processing ga je doen? Neem je het echo signaal op? De reflectie van het wateroppervlak zal hoogst waarschijnlijk de sterkste echo opleveren. Ken je de bandbreedte van je transducer (er staat enkel iets over centrale freq van 40kHz). Hoe groter de bandbreedte, hoe beter je de afzonderlijke echo's gaat kunnen onderscheiden (heeft met een matched filter te maken: de scherpte van de output hiervan is rechtstreeks gekoppeld aan de bandbreedte)

Hoe ga je processen? Ga je met een DAQ de echo's opnemen, of ga je met dedicated electronica werken of wat is jusit het plan?
[Bericht gewijzigd door stecj366 op 2 september 2008 14:39:19]

Als je de spoel parallel aan de tranducer hangt , is dat niet helemaal het idee van een schakelende voeding.

Je hebt diverse mogelijkheden : je maakt een oscillator waarbij de primaire kant als deel van het circuit fungeert
http://www.aaroncake.net/circuits/inverter.asp
Je gebruikt een transformator om direct de spanning op te voeren.

Je maakt eerst 150 V DC waarna je hiervan weer pulsen maakt, daarvoor gebruik je dan een schakelende voeding ( die ook een transformator zal hebben.
Hier vind je wat schemas
http://www.discovercircuits.com/A/acoustic.htm
Hier wordt gewoon een hoge spanning en transistoren gebruikt :

http://www.supertex.com/pdf/app_notes/AN_H56.pdf

quote:

Op 2 september 2008 14:15:38 schreef wieltje:
@sponcebert, De transducer wordt nu aangestuurd met een 40khz blokgolf. Met een spoeltje parallel aan de transducer krijg je dan toch een soort 'geschakelde voeding' waar je het over had?

De spoel moet in serie. De transducer heeft 1600pF, dus bij 40 kHz moet de spoel bijna 10mH zijn (9,89). De spanning op de transducer zal dan geweldig opslingeren.

quote:

Op 2 september 2008 14:24:29 schreef Frederick E. Terman:
Als je een spoel in serie zet - die dan moet resoneren met de capaciteit van de transducer - kun je veel meer spanning op de transducer krijgen dan je zelf hoeft aan te bieden.
Utrans = Uin * Q.

Dat zou nog wel de mooiste oplossing zijn denk ik.
Er vanuit gaande dat Q in die formule de kwaliteitsfactor is (sqrt(L/C)/R), kan ik dus met een serieweerstand de spanning bepalen die op de transducer komt te staan?

Overigens is de capiciteit van de transducer gegeven bij 1KHz. Zou dit veel schelen met 40KHz?

@ stecj366: Helaas heb ik niet meer info dan de (1-pagina tellende) datasheet. Op dit moment wordt het ontvangen signaal versterkt met een opamp. De comparator van een uC wordt gebruikt voor het registreren van de weerkaatste golven.
[Bericht gewijzigd door wieltje op 3 september 2008 10:26:42]

Dus je doet helemaal niet zo een gesofesticeerde processing, je kijkt naar de timedelay van de call naar de echo's. Dat kan werken, maar dan moet je je threshold goed kiezen. Over welke afstanden spreken we hier? Diameter buis? Materiaal buis? Is de buis ruw vanbinnen of juist heel vlak?

quote:

Op 3 september 2008 10:17:39 schreef wieltje:
[...]
Er vanuit gaande dat Q in die formule de kwaliteitsfactor is (sqrt(L/C)/R), kan ik dus met een serieweerstand de spanning bepalen die op de transducer komt te staan?

Overigens is de capiciteit van de transducer gegeven bij 1KHz. Zou dit veel schelen met 40KHz?

Eh ja, dat klopt. De Q wordt nu al beperkt door de eigen verliezen in de spoel, en doordat de transducer natuurlijk een gedeelte wegstuurt als geluid. Misschien heb je geen extra R nodig.

Maar als de Q àl te groot is, worden je pulsen te slap: de stijg- en daaltijd worden dan groot.
Een voorbeeld: stel, de Q is 100. De equivalente serieweerstand voor de spoel is dan 25 ohm.
De bijbehorende tijdconstante is dan ongeveer 0,4 ms, ofwel 16 perioden. Als dat teveel is, moet je R toevoegen.

Dit is waarschijnlijk de reden waarom echometers (zoals dieptemeters van schepen etc.) niet vaak de Q-truc gebruiken. Ze nemen dan maar gewoon een hoge voedingsspanning.

De effectieve capaciteit op 40 kHz kan best wat anders zijn dan bij 1 kHz, maar dat zal blijken. Je kunt er een spoel aan hangen en dan de resonantiefrequentie opzoeken (met een toongenerator bijvoorbeeld).
Als het teveel uitmaakt, kun je een nieuwe waarde uitrekenen voor de spoel, of je kunt hem expres wat te klein houden en wat capaciteit parallel aan de transducer schakelen tot je resonantie hebt. Een afstemcondensator uit een oude (buizen!)radio kan dan helpen.

quote:

Op 3 september 2008 10:33:01 schreef stecj366:
Dus je doet helemaal niet zo een gesofesticeerde processing, je kijkt naar de timedelay van de call naar de echo's. Dat kan werken, maar dan moet je je threshold goed kiezen. Over welke afstanden spreken we hier? Diameter buis? Materiaal buis? Is de buis ruw vanbinnen of juist heel vlak?

Inderdaad. Overigens is dit ook eigenlijk de enige methode die ik tot nu toe tegen gekomen ben. Zijn er ook nog andere methodes?
De buis voor de testopstelling is zo'n grijze pvc pijp van 32 of 40 mm. De bedoeling is dat het zo universeel mogelijk wordt voor wat betreft diameter van de pijp. Het gewenste bereik is enkele meters; waarbij de minimumafstand zo klein mogelijk moet worden (dus snel overschakelen van zenden naar ontvanen).

@Frederick: Bedankt, daar kan ik mee aan de slag.
[Bericht gewijzigd door wieltje op 4 september 2008 10:15:28]

er zijn nog een hoop andere methodes, en hier denk ik dat een invers filter of matched filter wel eens nuttig kan zijn, mits je wat bandbreedte in je call hebt.

quote:

Op 2 september 2008 14:15:38 schreef wieltje:
[ot]@Henry, wat was er mis met mijn post?

http://www.circuitsonline.net/forum/faq#replys 3e punt.

quote:

Op 4 september 2008 10:14:31 schreef wieltje:--De buis voor de testopstelling is zo'n grijze pvc pijp van 32 of 40 mm....

Dan krijg je toch onherroepelijk echo's die via de wnd op en neer zigzaggen en dus een veel langere looptijd hebben? Ik word hoe langer hoe benieuwder naar het eindresultaat. Want een dergelijk systeem zou erg handig zijn maar voorzover ik me herrinner ben ik dit in deze vorm nog niet tegengekomen.

(begin gelijk met uit te zoeken hoe octrooien werken en of het al bestaat)

quote:

Op 4 september 2008 23:53:23 schreef GJ_:
[...]
Dan krijg je toch onherroepelijk echo's die via de wnd op en neer zigzaggen en dus een veel langere looptijd hebben? Ik word hoe langer hoe benieuwder naar het eindresultaat. Want een dergelijk systeem zou erg handig zijn maar voorzover ik me herrinner ben ik dit in deze vorm nog niet tegengekomen.

(begin gelijk met uit te zoeken hoe octrooien werken en of het al bestaat)

Weer: invers of matched filter gaat dat wel goed doen... De sterkste echo moet bijna van het wateroppervlak komen, omdat de hoek waaronder de golven de wand raken vrij groot zijn, en er heel weinig van die wanden rechtstreeks gaat terugkomen.

Kan je de buis niet dempen met mousse ofzo?

Waarom heb ik dan nooit een peilbuis in deze vorm gezien? Ik denk dat een US "straal" zodanig divergeert dat je geen mooie echo terugkrijgt. En dus ook geen sterkste echo, alleen een langgerekte.

En een invers filter zal die langgerekte echo decomposeren naar een soort impuls respons van de omgeving. En hier zal een sterkste component inzitten. En desnoods neem je een vrij grote transducer (hoe groter de apertuur, hoe smaller de bundel) en gebruik je vrij hoge frequenties. Maar het moet wel breedbandig zijn...

Waarom je zoiets nog niet gezien hebt? I don't know, mssh omdat een invers filter nét iets ingewikkelder is als met een comparator een threshold instellen?
[Bericht gewijzigd door stecj366 op 5 september 2008 08:40:41]

quote:

Op 5 september 2008 08:40:04 schreef stecj366:... omdat een invers filter nét iets ingewikkelder is als met een comparator een threshold instellen?

Dat zal de grote fabrikanten niet weerhouden dunkt me. Ook de grote transducers hebben een breden bundel. Je voorspellingen over wat een invers filter doet met een langgerekte echo maken me minstens benieuwd.

Nogmaals, ik volg het met belangstelling.

Hoe breed de bundel exact gaat zijn kan ik niet zo uit men hoofd voorspellen, maar 40mm is bij 100kHz toch 10x de golflengte waardoor de transducer al op zn minst niet meer omnidirectioneel is

Je kan die langgerekte echo gaan beschouwen als een lineaire combinatie van een basis golfvorm, met een bepaalde tijdsdelay (door de grotere afstand van de reflectie), en eventueel nog een filtering (stralingspatroon van de reflector is freq. afhankelijk, maar die filtering zal bij een vlakke wand nogal meevallen).

Met een optimaal invers filter is het mogelijk om echo's te scheiden die slechts enkele samples verschoven zijn, zelfs bij 0dB SNR om maar een voorbeeld te geven van de kracht van zo een ding.

Maar ik denk dat zelfs een simpel matched filter kan volstaan. Hiervoor neem je het spectrum van de opgenomen echo (fft) en vermenigvuldigd dat met de complex toegevoegde van het spectrum van de basisvorm waar je naar op zoek bent (neem bv een reflectie van een muur ofzo, belangrijk is dat de filtering van de transducers en amps erbij zitten). dan doe je een IFFT. De maximum piek is de plaats van de vloeistof in samples, wat je dus kan herrekenen naar een time of flight, en dus een afstand.

De SNR zal je in die situatie wel goed kunnen krijgen, dus daar geen probleem. Maar de scherpte van de peak in de response in rechtstreeks afhankelijk van de bandbreedte, dus kies die breed genoeg.

Let op: de snelheid van het geluid is sterk afhankelijk van de temperatuur, een jitter van een paar cm heb je snel, dus meet altijd de temperatuur en bereken de snelheid met die temperatuur.

Nu, ik ben ook maar aan het speculeren over de werking bij zo een buis. Ik heb wel al gemerkt dat bij akoestiek veel onverwachtse fenomenen optreden Zo hadden we eens een onverklaarbare dip in de frequentierespontie van een microfoon. Na lang zoeken hebben we het gevonden, de behuizing van de microfoon had juist de goede afmetingen om de 75kHz uit te doven dmv staande golven... Maar ja, we misbruiken dan ook audio mics ...

Dus ik denk dat het wel moet lukken om de afstand tot het wateroppervlak in de buis te meten met ultrasound, maar heb jammer genoeg geen tijd om dat eens uit te proberen

Ben tussendoor even met andere dingen bezig geweest; vandaar de late reactie.

Ik wil eerst het zendgedeelte in orde maken; op het ontvangen kom ik ongetwijfeld later terug.
Heb intussen wel geprobeerd om met een US-afstandsmeter van een tientje een peilbuis uit te meten. Dit ging goed dus het is in ieder geval mogelijk.

Ik heb ook eea getest met een spoeltje voor de aansturing. Dit werkt goed; een spanning van 120 v komt er nu zonder problemen uit.

Deze hoge spanning brengt echter weer andere problemen met zich mee. Het schakelen van de transducer tussen zenden en ontvangen gebeurt nu mbv 2 multiplexers (74hc4053). Deze kunnen de spanning van 120v echter lang niet aan.

Weet iemand of er soortgelijke IC's zijn die deze spanning wel aan kunnen? Omdat het slechts hele korte pulsen zijn (max 15 us) en de tussenliggende tijd relatief hoog is (min 150ms) zou ik denken dat het wel mogelijk zou moeten zijn om dit met een IC te doen ipv een relais. Ik heb echter geen flauw idee hoe/waar zo'n IC te zoeken.

De hoge spanning zit toch alleen aan de transducerkant van het spoeltje? De aansturing zelf zou een veel lagere moeten zijn.
Hoe ziet trouwens een puls van maximaal 15μs op 40kHz eruit? Een klein stukje van een sinus?