Dispositivi piezoelettrici: ignoranza da colmare

[alextyx]

Intanto buongiorno a tutti. Questo è il mio primo post sul Forum e spero di non trasgredire, involontariamente, le regole che comunque mi sono premurato di leggere, sull'uso del Forum stesso.
Sono un non più giovanissimo perito elettronico pratese, che si è trovato ad affrontare molti aspetti della propria materia, sia hardware, che software, arrivando persino a lambire territori che sarebbero stati più congeniali per altri profili professionali, ma mi sono..adattato...
Ultimamente, in qualità di consulente (Partita Iva insomma), sono stato coinvolto, da una azienda con la quale ho una consolidata collaborazione, in un progetto ambizioso, in collaborazione anche con una Università toscana, sul quale non posso entrare troppo in dettaglio. La mia mansione avrebbe dovuto essere quella di allestire un setup adeguato ed effettuare misure e acquisizioni varie. Gli strumenti mi erano già tutti familiari, a parte un sistema di acquisizione basato su un dispositivo National interfacciato con Lab View, al quale sono stato introdotto, per il minimo indispensabile, da un collega che già lo conosceva. Detto progetto prevede l'utilizzo di dispositivi piezoelettrici, che devono generare ultrasuoni e inviarli in una particolare struttura, allo scopo di verificarne lo stato. Premesso che non è affatto detto che ciò sia possibile, ma che l'analisi dei dati è uno step successivo a quello in cui mi sto dibattendo, vengo al nocciolo del problema: nessuno qui ha mai lavorato con questi dispositivi piezoelettrici, come invece sembrava essere. La speranza che avremmo avuto un input sugli stessi, è naufragata miseramente. Io confesso la mia assoluta ignoranza in materia. Pertanto sto procedendo come un cieco nella nebbia, cercando di capire, facendo anche molta confusione, tanto per cominciare, se stiamo partendo con le giuste premesse. Al momento ho in linea due trasduttori KEMET NBL 45282H A3 (uno alimentato tramite un driver della Piezo Drive, ovviamente per trasmettere, con una tensione al trasduttore di circa 40 Vpp, cioè tra -20e +20) e l'altro, in ricezione (stiamo aspettando degli accelerometri, ma al momento non sono arrivati) in ingresso al sistema di acquisizione. Il tempo di propagazione tra l'uno e l'altro è di circa 1,5 ms. Ci è stato richiesto, dall'ateneo coinvolto, di generare un treno di onde ultrasoniche di durata adatta allo scopo (circa 500 us) con un andamento delle ampiezze crecente e decrescente dal profilo simil gaussiano. Il segnale di pilotaggio per il driver sono riuscito a ottenerlo come richiesto, ma quando vado ad acquisire il risultato, non vedo assolutamente ciò che mi aspetto. Sembra che, una volta scatenato, il trasduttore non voglia saperne di fermarsi subito. In effetti, se pongo l'oscilloscopio sugli elettrodi dello stesso, anche dopo la fine del segnale che gli impongo, continuo a vedere un segnale, che mi appare auto generato, anche se di ampiezza decisamente minore di quello fornito da me, per tramite del Driver. Mi hanno messo sul tavolo una serie di dispositivi che, ad una prima occhiata sembrano essere tutti parenti strettissimi (e in un certo senso, forse è anche vero), ma alcuni vedo che sono classificati come Attuatori, magari con tanto di segnali di retroazione, mentre altri sono indicati come Trasduttori e magari pensati per il lavaggio a ultrasuoni. Scorrendo documentazione varia, sembra che alcuni di questi dispositivi NON debbano essere alimentati con frequenze che si avvicinano a quella che mi pare sia una risonanza tipica del dispositivo, ma, da quanto mi pare di aver capito, la funzione di questi non è, perlomeno primariamente, quella di generare ultrasuoni. La gran parte di questi, viene impiegata con alimentazioni in continua, mentre quelli che sto usando io CREDO siano da alimentare in alternata e da utilizzare alla frequenza di risonanza (in questo caso 28 kHz), anche perché se mi ci allontano più di tanto, il segnale scompare. Tuttavia, non sono certo che le mie conclusioni siano corrette, non sono riuscito neppure a capire quale sia la adeguata tensione (perlomeno la massima da non superare) da fornire ai trasduttori in uso, non ho idea se esista un alimentatore in commercio adatto a loro (la filiale italiana della KEMET non ha saputo illuminarmi a riguardo) e se è una pretesa assurda lo sperare che la generazione di vibrazioni ultrasoniche si arresti entro qualche decina di micro secondi da quando il trasduttore non viene più volontariamente sollecitato. Ho visionato dei lavori di gruppi di ricerca esteri, dove la forma delle onde ottenute ha praticamente lo stesso andamento che ottengo io e ben lontano dai desiderata degli accademici (sostanzialmente sono specialisti della teoria dei segnali, se ho ben capito).
Last but not least, qualora il progetto avesse un esito positivo, mi si dice che probabilmente non saremmo autorizzati a installare in campo qualcosa che preveda tensioni superiori a un cinquantina di volt. Ora lavoriamo su strutture che stanno in una stanza, ma poi questi ultrasuoni dovranno percorrere centinaia di metri, magari anche oltre mille, nell'acciaio. Non mi è chiaro se sarebbe possibile ottenere qualcosa di adeguato con questo limite, o se la tecnologia di questi dispositivi impone tensioni maggiori, pena un risultato risibile.
Se qualcuno ha mai avuto a che fare con queste problematiche e, mosso a compassione, vorrà darmi una mano, finirà di diritto sulla lista dei caffè da pagare...alla prima occasione

Grazie a tutti, comunque

[Jackd]

Ciao, il dispositivo della kemet è un trasduttore ad ultrasuoni per lavaggio.
Per quello che volete fare voi è necessario utilizzare altri tipi di trasduttori.

Io faccio trasduttori per lavaggio, per comparazione con quelli che faccio, ti posso dire che i 50W li tiro fuori a circa 280V rms; se vedi da Datasheet, ti invitano ad alimentare il trasduttore tra i 2,5 ed i 50W per cui ci sta che con quel tipo di trasduttore tu non ottenga quanto sperato, visto che lo stai sottoalimentando (dovresti arrivare a circa 60V rms).
Considera che a 20Vpp anche la sola pressione con la mano sopra al trasduttore diventa rilevabile.

per quanto riguarda la frequenza li si apre un capitolo a parte.... con un trasduttore per lavaggio, lo stesso spessore del metallo dove ti vai ad appoggiare ti fa spostare la frequenza di lavoro anche nell'ordine di kHz x mm.

Gli attuatori sono bestie diverse, solo questi ultimi sono alimentati in continua. Spesso sono costruiti con vari elementi piezoceramici affiancati, per massimizzare la possibile escursione.

Da notare che l'elemento base piezoelettrico ha impasto diverso per scopo diverso, il mio fornitore per esempio a catalogo ha almeno una decina di impasti, per destinazioni d'uso diverse.

[MarcoD]

Benvenuto nel forum,
Sono poco competente, ma cerco di aiutarti con piacere.

ho ricercato le caratteristiche dei trasduttori KEMET NBL 45282H A3

capacità 4000 pF
ammettenza 50 mS
freq.risonanza 28 kHz
Q meccanico 500 a vuoto? o immerso in un liquido?
velocità massima 40 cm/s
potenza (nel liquido?) 50 W.

alcune definizioni:
L'ammettenza dinamica è l'inverso della impedenza,
come la
conduttanza è l'inverso della resistenza
e la suscettanza è l'inverso della reattanza


(uno alimentato tramite un driver della Piezo Drive, ovviamente per trasmettere, con una tensione al trasduttore di circa 40 Vpp, cioè tra -20e +20) e l'altro, in ricezione (stiamo aspettando degli accelerometri, ma al momento non sono arrivati) in ingresso al sistema di acquisizione. Il tempo di propagazione tra l'uno e l'altro è di circa 1,5 ms. Ci è stato richiesto, dall'ateneo coinvolto, di generare un treno di onde ultrasoniche di durata adatta allo scopo (circa 500 us) con un andamento delle ampiezze crescente e decrescente dal profilo simil gaussiano. Il segnale di pilotaggio per il driver sono riuscito a ottenerlo come richiesto, ma quando vado ad acquisire il risultato, non vedo assolutamente ciò che mi aspetto. Sembra che, una volta scatenato, il trasduttore non voglia saperne di fermarsi subito.

di generare un treno di onde ultrasoniche di durata adatta allo scopo (circa 500 us)
a 28 kHz >> periodo 1/28 = 0.035 ms = 35 us.
treno 500 us >> 500/35 = 14 periodi

Il tempo di propagazione tra l'uno e l'altro è di circa 1,5 ms.
1,5/ 0.035 = 42 periodi tempo di propagazione in periodi

Quanto è la velocità di propagazione del suono nel mezzo fra tramettiroe e ricevitore?


Mi pare normale che una volta scatenato, il trasduttore non voglia saperne di fermarsi subito.
Se il Q coefficiente di risonanza è 500 l'oscillatore impiega circa 500 periodi a smorzarsi
Al momento non so la formula, ma da qualche parte si dovrebbe trovare o ricavare.
Quando si disalimenta il trasduttore si interrompe in serie il pilotaggio e lo si cortocircuita anche ?


ammettenza 50 mS corrisponde a reattanza 20 ohm
Se alimentazione 20*0,7 = 14 Veff I = 14/20 = 0,7 A,
potenza apparente 14x0,7 = 10 VA , sarebbero 10 W alla risonanza?

velocità massima 40 cm/s, se a vuoto li superi, si rompe il trasduttore?

capacità 4000 pF, a 28 kHz sono una reattanza di 1/(6,28x28 x 4 x 10^-6) =
= (10^6)/703 = circa 1400 ohm ?

Ho scritto qualche considerazione, attendo i tuoi commenti., e anche di leggere considerazioni da altri lettori

[stefanopc]

https://www.google.it/url?sa=t&source=w ... NBAW3dBKs8

Qui si parla di questo argomento.
La prova ultrasuoni su metalli è una pratica già molto conosciuta.
Ciao

[alextyx]

Intanto, grazie mille a entrambi. Comincio a segnare per i caffè
Parto da Jackd:

Per quello che volete fare voi è necessario utilizzare altri tipi di trasduttori.

Ecco, questa è una cosa che vorrei approfondire. perché mi dici che non vanno bene ed eventualmente quali sarebbero i tipi da usare? Ricordati che stai parlando con un neofita dell'argomento

Io faccio trasduttori per lavaggio, per comparazione con quelli che faccio, ti posso dire che i 50W li tiro fuori a circa 280V rms; se vedi da Datasheet, ti invitano ad alimentare il trasduttore tra i 2,5 ed i 50W per cui ci sta che con quel tipo di trasduttore tu non ottenga quanto sperato, visto che lo stai sottoalimentando (dovresti arrivare a circa 60V rms).

Sì, il tipo da 45mm dovrebbe essere da 50W, infatti. Il 15 mm da 2,5W

per quanto riguarda la frequenza li si apre un capitolo a parte.... con un trasduttore per lavaggio, lo stesso spessore del metallo dove ti vai ad appoggiare ti fa spostare la frequenza di lavoro anche nell'ordine di kHz x mm

E infatti è probabile che, nel caso, debba essere implementato un sistema di rilevazione della frequenza di risonanza. Giusto alcuni minuti fa, ho visto delle proposte interessanti in tal senso. Al momento, comunque, posso variarla alla bisogna, anche in base ai risultati che vedo, tramite il generatore di segnali.

Gli attuatori sono bestie diverse, solo questi ultimi sono alimentati in continua. Spesso sono costruiti con vari elementi piezoceramici affiancati, per massimizzare la possibile escursione

Grazie! Infatti sto cominciando a capire questa cosa e la tua conferma mi è preziosa.
Passo a MarcoD:

potenza (nel liquido?) 50 W

Che bruttissima domanda mi fai! Non sapevo neppure esistesse la possibilità che questa potenza fosse da riferirsi a un eventuale liquido. Non so proprio cosa risponderti e non riesco neppure a inquadrare bene la domanda, purtroppo

Quanto è la velocità di propagazione del suono nel mezzo fra trasmettitore e ricevitore?

Circa 5/6000 m/s per il tipo di onde (Longitudinali) che stiamo generando. Da questo punto di vista, abbiamo conferma dei dati già ottenuti da lavori precedenti

Mi pare normale che una volta scatenato, il trasduttore non voglia saperne di fermarsi subito.
Se il Q coefficiente di risonanza è 500 l'oscillatore impiega circa 500 periodi a smorzarsi

Purtroppo, col senno di poi, pare sensato pure a me, ma all'inizio mi avevano fornito il tutto come se fosse possibile un comportamnto ben diverso. Le risultanze sul campo, mi hanno portato a indagare e pormi il quesito a cui stai dando risposta.

Quando si disalimenta il trasduttore si interrompe in serie il pilotaggio e lo si cortocircuita anche ?

Non so risponderti nel dettaglio, perché io mi limito a inviare un segnale a un driver (Piezo Drive PDu150CL V5) e quando il segnale di pilotaggio cessa, non so come sia gestita la cosa, ma un cortocircuito SERIO lo escludo, perché insisto a vedere tensione anche finito l'impulso. Proprio pensando a questo, avevo ipotizzato di provare a cortocircuitare il trasduttore, memore delle frenate sugli azionamenti dei motori in CC. Probabilmente, ammesso di non fare danni, un cortocircuito, o comunque una chiusura su una resistenza ragionevolmente bassa, potrebbe far dissipare in calore l'energia accumulata e arrestare l'oscillazione. Ovviamente, nel mio caso, dovrei costruirmi una schedina e sincronizzarla con l'impulso, per evitare di applicare il (quasi) corto, quando invece si deve lavorare.

ammettenza 50 mS corrisponde a reattanza 20 ohm
Se alimentazione 20*0,7 = 14 Veff I = 14/20 = 0,7 A,
potenza apparente 14x0,7 = 10 VA , sarebbero 10 W alla risonanza?

La ammettenza mi risulterebbe 40 mS, ma sposta di poco il ragionamento. L'impedenza risulterebbe 25 Ohm anzichè 20. Ecco, approfondire il calcolo delle potenze e le questioni degli assorbimenti e alimentazioni di questi dispositivi, è qualcosa che mi farebbe piacere, posto che io in queste beghe manco ci dovevo entrare, ma alla fine mi ci sono trovato e, sia pure col minor dispendio possibile di energie, qualcosa devo cercare di capirci

capacità 4000 pF, a 28 kHz sono una reattanza di 1/(6,28x28 x 4 x 10^-6) =
= (10^6)/703 = circa 1400 ohm ?

Il conto torna!

Grazie a entrambi per il vostro primo intervento in mio soccorso

[alextyx]

Grazie anche a stefanopc per il link, che visionerò...dopo pranzo A proposito, buon appetito a tutti

[alextyx]

potenza (nel liquido?) 50 W

Forse posso dare una ulteriore indicazione utile per la tua domanda: la potenza indicata viene così definita:
"Maximum allowable power based on data where one unit is measured with a water load on one side"

[elfo]

Ho visionato dei lavori di gruppi di ricerca esteri, dove la forma delle onde ottenute ha praticamente lo stesso andamento che ottengo io e ben lontano dai desiderata degli accademici

I lavori sono reperibili in rete oppure puoi dare le referenze?

[alextyx]

I lavori sono reperibili in rete oppure puoi dare le referenze?

Buongiorno Elfo. Ho da rispettare un minimo di riservatezza e citare quei lavori la distruggerebbe. Quello che posso dire è che, pur avendo, almeno uno dei due gruppi che ha pubblicato, usato un impulso in ingresso al driver di uguale durata al nostro (loro usavano 35 kHz, noi 28, ma non credo questo importi molto), il risultato sulla generazione degli ultrasuoni, è parente strettissimo del nostro e si vede un qualcosa che impiega comunque molti millisecondi ad esaurirsi. Ora, la cosa comincia ad avere più senso per me, in quanto approfondendo l'argomento, anche col vostro prezioso aiuto, mi sembra una conseguenza normale, salvo prendere precauzioni speciali per limitarla e sempre che ciò sia, al contempo, possibile e consigliabile. Mi sto piuttosto chiedendo il perché di questa fregola per ottenere una erogazione di ultrasuoni così rigidamente 'pacchettizzata', quando altri se ne sono bellamente fregati. Nei prossimi giorni cercheremo di capire il perché di questa richiesta e se, eventualmente, può essere messa da parte.
Nel frattempo, più capisco cosa ho per le mani e meglio è

[alextyx]

Una cosa che mi pare sia venuta fuori, almeno accennata, nei post precedenti, mi spinge a farvi questa domanda:
Sarebbe possibile, qualora si impuntassero sulla richiesta di avere un tempo di emissione degli ultrasuoni ben controllato, interrompere forzatamente l'oscillazione, chiudendo su una resistenza piuttosto bassa, i terminali del trasduttore?
Credo si debbano evitare correnti troppo alte, ovviamente, ma se, date queste premesse, riuscissi almeno a limitare l'oscillazione (e quindi la generazione di ultrasuoni) a poche centinaia di us dopo la fine dell'impulso, forse mi farebbero anche un monumento equestre in piazza
Se non ci riesco, invece, flagellazione con giro di chiglia finale
Mi conviene riuscire