Danas je nabavljen ultrazvučni mjerni kalkulator za mjerenje i izračune dužina, površina i volumena unutar građevinskih objekata oznake Dimension Master Plus – Tapeless Measure / Calculator, proizvod američke tvrtke Calculated Industries s početka 1990-tih godina.
Tvrtka Calculated Industries osnovana je krajem 1978. godine i kroz čitavo razdoblje do danas proizvodi različite vrste kalkulatora, od standardnih uredskih do specijalnih mjernih kalkulatora za mjerenje i izračune raznih dimenzija poput duljina, površina, volumena, kutova, nagiba i slično. Tu su i razni znanstveni kalkulatori, kalkulatori za financijsko poslovanje i gotove matematičke izračune, te drugi kalkulatori sa mjernim senzorima primjenjivi u građevinarstvu, industriji, kulinarstvu i slično.
Do 1994. godine sjedište tvrtke Calculated Industries bilo je u Kaliforniji, a nakon toga u Nevadi. Na našem kalkulatoru nalazimo otisnutu adresu tvrtke u Kaliforniji što znači da je proizveden početkom 1990-tih godina. Postoji i novija (poboljšana) inačica istog kalkulatora “Dimension Master Plus – Tapeless Measure Calculator v2.0” koji je nastao krajem 1990-tih godina.
Ultrazvučni mjerači udaljenosti rade na vrlo jednostavnom principu mjerenja vremena odjeka odaslanog ultrazvučnog vala od neke ravne površine. Specifičnost mjerača Dimension Master Plus je što za tu svrhu ima ugrađena tri ultrazvučna senzora međusobno pozicionirana tako da je moguće dobiti uzak ultrazvučni mjerni val (širine kuta od 2°). Time se mjerenja mogu vršiti i na manjim površinama, odnosno kroz uske prolaze (npr. preko otvora vrata na zadnji zid sobe). Za točno pozicioniranje ultrazvučnog mjernog vala na željenu površinu paralelno sa smjerom zračenja ultrazvučnih senzora ugrađen je mali svjetlosni marker koji se projicira na mjerenu površinu.
Sustav za projiciranje svjetlosnog markera (ciljnika) sastoji se od male žaruljice kao izvora svjetla koje se odbija od zrcala na leću montiranu na prednju ploču paralelno sa ultrazvučnim pretvornicima. Noviji tipovi ultrazvučnih mjerača koriste mali laser za usmjeravanje ultrazvučnog vala na željenu mjernu točku.
Opseg mjerenja ultrazvučnim mjeračem udaljenosti Dimension Master Plus je 0,5 do 18 metara sa mogućnosti pogreške mjerenja do 0,5%. Rezolucija prikaza vrijednosti na displeju je 6 mm (1/4″) za duljine ispod 3 metra i 25 mm (1″) za duljine veće od 3 metra. Mjerač se napaja preko četiri standardne AAA baterije.
Osim standardnog kalkulatora sa osnovnim matematičkim operacijama (uključujući korjenovanje i razlomke), Dimension Master Plus je opremljen i funkcijskim tipkama za mjerenje vrijednosti duljine, širine i visine na osnovu kojih se zatim može izračunati površina ili volumen prostorije. Ukoliko je dimenzija neke prostorije veća od 18 metara koliki je najveći domet mjerača, može se stati na sredinu prostorije te izvršiti dva mjerenja na svaku stranu, a rezultati se automatski zbrajaju upotrebom memorijske tipke M+. Kao što se vidi moguće je odabrati različite mjerne sustave i vršiti konverziju između njih.
Sastav ultrazvučnog mjerača Dimension Master Plus (od lijeva na desno): zrcalo za projiciranje markera, žaruljica kao izvor svjetla za marker, pločica sa mikrokontrolerom za upravljanje kalkulatorom i LCD displejom, tri paralelno spojena ultrazvučna pretvornika (rade u oba smjera, za odašiljanje i za detekciju ultrazvučnog vala), te pločica sa ultrazvučnom upravljačkom i mjernom elektronikom.
Dimension Master Plus bazira se na 8-bitnom CMOS mikrokontroleru M50930-952FP koji između ostalog sadrži 4096 bita ROM i 128 bita RAM memorije, 32 programabilna ulazno/izlazna porta i LCD kontroler/driver. Ovaj mikrokontroler (microcomputer) iz 1987. godine proizvodio je veći broj (uglavnom japanskih) proizvođača i ugrađivao se u različite proizvode potrošačke elektronike (video-rekorderi, telefoni, radio prijemnici, razni audio/video uređaji, daljinski upravljači i slično). U našem slučaju objedinjuje sve funkcije kalkulatora i prikaza vrijednosti na LCD displeju, te mjeri vrijeme proteklo između dva impulsa iz detektoskog stupnja i preračunava ga u pređenu udaljenost. Oznaka SONAR vjerojatno upućuje na aplikaciju za koju je programiran (često se ultrazvučni mjerač udaljenosti koriste termini poput ultrazvučni sonar ili echo). U našem uređaju mikrokontroler radi na taktu 3,579545 MHz (max 4,3 MHz), a to je kristal koji se široko koristio za frekvenciju nosioca slike kod NTSC kolor televizora. U mjeračima udaljenosti često se koriste kristali, odnosno takt frekvencije kojima se binarnim dijeljenjem lako dobiva referentni takt od 1 Hz ili 60 Hz kako bi programsko preračunavanje vremena u duljinu bilo što točnije i jednostavnije. Od frekvencije 3,579545 MHz binarnim dijeljenjem lako se dobiva frekvencija 60 Hz.
Na zasebnoj pločici nalazi se generator i prijemnik impulsa te detektor/pretvornik za ultrazvučne senzore. Srce sklopa čini specijalizirani integrirani krug TL 852 koji predstavlja gotovo rješenje za ultrazvučne mjerače udaljenosti na principu odjeka ultrazvučnog vala (sonara) predviđen za rad sa elektrostatičkim ultrazvučnim transducerima koji rade na frekvenciji od 50 kHz. U kombinaciji sa TL 852 (prijemnik) najčešće se koristi TL 851 (predajnik) koji generira kratkotrajne pravokutne impulse (bursteve od 15 oscilacija) frekvencije 50 kHz za pobudu ultrazvučnih pretvornika, no u našem slučaju je za ovu funkciju odabran precizni timer ICM 7555 (555), te integrirani krug CD 4066 (četverostruka elektronička sklopka) za digitalno 4-bitno upravljanje pojačanjem detektorskog pojačala prijemnika.
Kad radimo sa ultrazvučnim valom koji ima neku svoju fizičku širinu rasprostiranja potrebna je puno bolja kontrola i selekcija odbijenog vala nego kad se to radi sa uskom laserskom zrakom. U trenutku kad transducer emitira ultrazvučni impuls prijemnik mora biti isključen kako ne bi reagirao već na taj neodbijeni val. Uključiti se dakle može tek kad prestane emitiranje impulsa, odnosno još jedno vrijeme nakon toga kad se zvučni impuls dovoljno udalji (oslabi) da ga prijemnik pogrešno ne registrira kao odjek. Ovisno o kvaliteti i kontroli osjetljivosti (pojačanja) prijemnika ova minimalna udaljenost može varirati i u praksi iznosi oko pola metra, a tu udaljenost ultrazvučni val pređe za oko 1,5 milisekundu. To znači da se vrijeme zadrške uključenja prijemnika nakon zadnje oscilacije impulsa može postavi na oko 3 ms, koliko bi trebalo zvučnom impulsu da ode i vrati se od prepreke na udaljenosti 0,5 metra. Za integrirani krug TL 852 ovo vrijeme zadrške je 2,38 ms. Ovo je i razlog zbog kojeg se ultrazvučnim mjeračem ne mogu mjeriti vrlo male udaljenosti.
Nakon što se zvučni val odbije od površine dio njegove energije vraća se i detektira u prijemniku. Na osnovu izračuna vremena proteklog od odašiljanja do povratka zvučnog impulsa lako izračuna pređena udaljenost (1 ms = 34,3 cm). Što se zvučni impuls vraća s veće udaljenosti to će biti manje snage, pa je pojačanje pojačala potrebno tome optimizirati. Pojačanje mora biti takvo da s jedne strane nadoknadi slabljenje signala s udaljenošću, a da s druge strane bude minimalno osjetljivo na smetnje i na bočno odbijene dijelove ultrazvučnog vala. Da bi se to postiglo kod TL 851 pojačanjem detektorskog pojačala prijemnika upravlja se digitalnim 4-bitnim kodom u 12 stupnjeva pojačanja i to tako da se od slanja ultrazvučnog impulsa i otvaranja prijemnika, pojačanje detektorskog pojačala precizno sinkrono povećava sa protekom vremena, sukladno očekivanoj smanjenoj snazi odjeka koji se vraća s veće udaljenosti.
Naravno, snaga ultrazvučnog impulsa kao i maksimalno pojačanje pojačala su ograničeni, a time je ograničen i domet mjerenja koji kod ultrazvučnih mjerača rijetko prelazi 20 metara. Uobičajeno se koriste elektrostatički ultrazvučni senzori i u naš uređaj su vjerojatno ugrađeni neki iz Polaroid/SensComp 600/7000 serije. Takvi senzori rade na relativno velikim izmjeničnim naponima frekvencije 50 kHz (200-400Vpp) pa se obično pobuđuju visokim naponima preko malih tranzistorskih pretvarača sa transformatorom. Element u kvadratnom metalnom lončiću pored kojeg su dva tranzistora vjerojatno čini takav jedan pretvarač. Ultrazvučni senzori imaju relativnu širok dijagram zračenja (oko 20° glavna latica), a osim toga zračne i izražene bočne latice pod 30° i 60° pa je kontrola pojačanja jako bitna za ispravnu detekciju odjeka glavne latice. Dosta je neuobičajeno vidjeti ultrazvučni mjerač sa tri senzora, no ako se time stvarno suzio glavni snop zračenja na svega 2° kako je navedeno u tvorničkim podacima onda je to svakako vrlo dobro poboljšanje.
Mikrokontroler dobiva dva logička impulsa, prvi u trenutku iniciranja prijemnika i drugi u trenutku detekcije odjeka, te vrijeme proteklo između istih preračunava u udaljenost.
Danas na tržištu postoje dva osnovna tipa mjerača udaljenosti: ultrazvučni i laserski. Ultrazvučni mjerači mjere vrijeme povratka odbijenog ultrazvučnog vala uobičajeno frekvencije oko 20-50 kHz, dok laserski mjerači mjere vrijeme povratka odbijene laserske zrake uobičajeno na frekvenciji vidljive svjetlosti. Da bi ovo funkcioniralo potrebno je odašiljati kratke impulse zvuka ili svjetlosti, no postoje i mjerači koji odašilju kontinuirane zrake pri čemu se onda mjeri promjena faze reflektiranog vala. Ultrazvuk se širi poput zvuka, raspršeno na kratkoj udaljenosti brzinom od oko 343 m/s, a laserska svjetlost se u vrlo uskoj zraci može poslati na puno veće daljine brzinom od oko 300 000 km/s. Razlika u ova dva medija je dakle ogromna pa onda svakako postoje i razlike između mjerača koji se baziraju na ove dvije tehnologije.
Već iz opisa ultrazvučnog vala i laserske zrake jasno je da je laserska zraka puno brži, precizniji i dalje-dometni medij. Stoga su i laserski mjerači puno brži (udaljenost od nekoliko metara mjeri za oko 1 sekundu), precizniji (±1 mm) i većeg dometa (do 1000 m i više) od ultrazvučnih mjerača. Osim toga laserski mjerači bolje reagiraju prilikom mjerenja na površinama koje odbijaju zraku pod velikim kutom (kose površine) i mjerenje istima je jednostavnije jer je laserska zraka vidljiva pa se lako usmjeri na željenu točku površine. Time je osigurana visoka pouzdanost mjerenja na teškim terenima i između prepreka, a i autonomija rada laserskih mjerača je bolja od ultrazvučnih jer troše manje struje po jednom mjerenju.
Najveći nedostatak laserskih mjerača je nemogućnost mjerenja na prozirnim površinama (staklo, površina vode) i smanjena osjetljivost u uvjetima jakog osvjetljenja (izravna sunčeva svjetlost) jer se tu snaga svjetlosti laserske zrake raspršuje i nadvladava ju okolna svjetlost. Ovi nedostaci laserskih mjerača su zapravo jedina prednost kod ultrazvučnih mjerača, uz to što su i nešto jeftiniji od laserskih mjerača. Upravo zbog jeftine cijene ultrazvučni mjerači udaljenosti i dalje se široko koriste u aplikacijama gdje posebno velika preciznost i domet nisu potrebni. Idealna primjena je npr. kao senzori vožnje unatrag na automobilima, gdje je potrebno što šire pokrivanje (ne treba precizno usmjeravanje), gdje je relativno kratka udaljenost detekcije i gdje uvjeti rada često mogu biti na jakoj vanjskoj sunčevoj svjetlosti. Također, kod automobila lako dolazi do zaprljanja senzora na što su ultrazvučni senzori manje osjetljivi od optičkih.
Ultrazvučna eholokacija kod šišmiša otkrivena je još 1794. godine, a prva tehnološka primjena ultrazvuka bio je pokušaj otkrivanja potopljenih podmornica tijekom 1. svjetskog rata (ultrazvučni sonar, hidrofon). Do sredine 1930-ih godina većina oceanskih brodova već je imala neku vrstu sonarnih uređaja. Komercijalno široko dostupni ručni ultrazvučni mjerači pojavili su se u 1980-tim godinama, a Dimension Master Plus je izašao na tržište otprilike u vrijeme kada je predstavljen i prvi ručni komercijalni laserski mjerač udaljenosti (Leica, 1993. godine). Danas je ponuda malih ultrazvučnih i laserskih mjerača podjednaka s time što laserski mjerači postaju sve jeftiniji i cijenom sve bliži ultrazvučnim mjeračima pa su zbog svojih osnovnih prednosti (veći domet i preciznost) sve češći izbor za kupnju.
Svi mi neki put moramo nešto izmjeriti i svi za tu svrhu imamo i nekakav klasični metar koji je desetljećima potpuno zadovoljavao sve te naše povremene potrebe. No onda ugledamo kakvu privlačnu ponudu elektroničkog mjerača i na kraju ga kupimo samo zato jer je jeftin i dobro izgleda. Ubrzo shvatimo da koliko god je elektronički mjerač za neka mjerenja praktičan, toliko je za veliki broj drugih mjerenja potpuno neupotrebljiv. Nakon što smo iz čiste znatiželje izmjerili sve udaljenosti do okolnih zidova unutar naših soba, elektronički mjerač završi zaboravljen u nekoj ladici dok se za povremena kućna mjerenja i dalje nastavimo koristiti našim dobrom starim klasičnim metrom sa narolanom metalnom ili (ako smo stari majstori) sa sklopivom drvenom mjernom trakom 🙂