Danas je nabavljen ultrazvučni mjerač udaljenosti, kineski proizvod (Hong Kong) oznake Echometer SW-104B iz 2000-tih godina, uvezen preko njemačkog dobavljača Rothlach gmbh.
Echometer SW-104B nas je privukao jer se na prvi pogled činio kao jedan od ranih primjeraka ultrazvučnog mjerača iz 1980-tih ili 1990-tih godina, no nakon pregleda sklopovlja moguće je da se ipak radi o modernijem kineskom proizvodu.
Na primjeru ultrazvučnog mjerača udaljenosti Dimension Master Plus – Tapeless Measure Calculator imali smo kombinaciju specijaliziranog integriranog kruga za prijem ultrazvučnog odjeka, nekoliko klasičnih komponenti za generiranje impulsa te univerzalno primjenjivog mikrokontrolera koji je ondje bio programiran za upravljanje funkcijama izračuna i LCD prikazom.
U slučaju Echometra SW-104B srce sklopovlja čine integrirani krugovi u COB (Chip-on-Board) ili MCM (Multi-Chip Module) tehnologiji. To je tehnologija montaže (lijepljenja) golih matrica (vafera) integriranih krugova izravno na tiskanu pločicu tako da isti nemaju klasično kućište sa lemnim nožicama. Naime, za pojedine integrirane krugove cijena izrade DIP (ili nekog drugog) kućišta i povezivanje sa pinovima unutar istog može biti veća i od cijene samog integriranog kruga. Stoga, da se smanje troškovi izrade kućišta i smanje dimenzije koje su potrebne za montažu čipa na tiskanoj pločici razvijene su COB ili MCM tehnologije, a razlika je u tome što se kod COB-a koristi samo jedan integrirani krug, a kod MCM su povezana dva ili više integrirana kruga. U oba slučaja gole matrice čipova nakon spajanja s pločicom zalivene su kapljicom (obično crnog) izolacijskog materijala na kojem nema nikakvih oznaka. Takve čipove je stoga nemoguće identificirati ili vršiti njihovu zamjenu pa na neki način i štite autorska prava proizvođača. Obično ih nalazimo u kalkulatorima, digitalnim satovima i kao driveri za razne LCD displeje.
U našem slučaju moguće da je se radi o jednom čipu (COB), a to je onda sasvim sigurno mikrokontroler programiran za sve potrebne funkcije od inputa tipkovnice, preko upravljačkog i mjernog dijela, do kontrole LCD-a. Isto tako moguće je da se i radi i više čipova (MCM) gdje su onda uz mikrokontroler vezani još neki specijalizirani čipovi za kontrolu i detekciju ultrazvučnog sistema za mjerenje udaljenosti. Od klasičnih integriranih krugova na pločici je operacijsko pojačalo CA3160 koje vjerojatno služi kao pojačalo primljenog odjeka, te komparator LM393 i logički krug MC14011 (četverostruka NAND vrata) za koje nema smisla nagađati funkciju no svakako se radi o nekim međusklopovima između mikrokontrolera i vanjskih sklopova (tipkovnica, zujalica, senzor).
COB ili MCM tehnologija montaže integriranih krugova. Gola matrica (vafer) integriranog kruga (ili više njih) zalijepljena je za tiskanu pločicu, povezana žicama na tiskane vodove i zalivena u izolacijski materijal. Minimalni troškovi proizvodnje i minimalno zauzimanje prostora najveće su prednosti ovakvog načina ugradnje čipova, no bilo kakav servis kao i sama identifikacija ovakvih čipova je praktično nemoguća.
Kristal za takt mikrokontrolera je vjerojatno satni kristal na 32,768 kHz. Ova frekvencija satnog kristala je odabrana jer se binarnim dijeljenjem (215) lako dobiva referentni takt od 1 Hz (1 sekunda). Od drugih specifičnih elektroničkih elemenata uočavamo feritni transformator unutar metalnog lonca te pored njega jedan N-kanalni MOSFET (2N7013) u neuobičajenom 4-pinskom DIP kućištu. Ovo su sasvim sigurno komponente pretvarača niskog u visoki izmjenični impulsni napon za pobuđivanje ultrazvučnog senzora 50 kHz/200-400V.
Ultrazvučni pretvarač (transduktor), iako nema nikakvih oznaka, vjerojatno je iz SensComp 7000 serije. Radi se o 50 kHz elektrostatičkom ultrazvučnom senzoru kojim je u najboljem slučaju moguće mjeriti udaljenosti u rasponu 2,5 cm – 15,2 m. Već smo opisali kod Dimension Master Plus – Tapeless Measure Calculatora da su najveće i najmanje mjerljive udaljenosti ograničene pojačanjem, kvalitetom i selektivnošću samog mjernog pojačala. Najmanja mjerljiva udaljenost ovisi o mogućnosti detektorskog pojačala da dio raspršene energije odaslanog impulsa koji je tek krenuo od senzora ne prepozna kao vraćeni odjek. Stoga se detektorsko pojačalo uključuje tek nakon što se odaslani impuls dovoljno udaljio od senzora, a to je u praksi oko pola metra. Zbog toga vrlo male udaljenosti nisu mjerljive ovakvom vrstom senzora. Najveća mjerljiva udaljenost naravno ovisi o snazi odaslanog impulsa, odnosno vraćenog odjeka, dakle o maksimalnom pojačanju detektorskog pojačala, no također s povećanjem udaljenosti odaslani zvučni impuls postaje sve širi i nepogodan za precizno mjerenje na malim površinama. Zvučni val se osim u glavnoj latici širi i u bočnim laticama koje se također mogu reflektirati i dovesti do pogreške mjerenja. Da se smanje mogućnosti neželjenih detekcija pojačanje detektorskog pojačala mora biti promjenjivo, tako da je najmanje u prvim milisekundama kad se očekuje najjači odjek od bliskih predmeta, a zatim se sinkronizirano pojačava s protekom vremena, odnosno kako se očekuju sve slabiji odjeci sa udaljenijih predmeta. Naš Echometar SW-104B je deklariran za udaljenosti u rasponu 0,6 – 12 m, što uz brzinu širenja ultrazvučnog vala od 334 m/s daje vremena odjeka (tamo i natrag) od cca 3,5 – 70 ms.
Elektrostatički ultrazvučni pretvornik serije SensComp 7000.
Na slici se vidi dijagram zračenja ultrazvučnog transduktora SensComp 7000. Elektrostatički ultrazvučni pretvornici su zapravo kondenzatori koji se sastoje od dvije ploče, jedne nepomične i jedne pomične (eleastične). U našem slučaju nepomična ploča je aluminijska, a pomična je od elastične folije presvučene tankim slojem zlata. Između tih ploča djeluje električna sila, odnosno izmjenični napon koji mijenja električnu silu između ploča zbog čega pomična ploča titra u ritmu (frekvenciji) izmjeničnog napona te radi kao zvučnička membrana, odnosno proizvodi ultrazvuk. U obrnutom smjeru, kada ultrazvučni pretvornik radi kao mikrofon, i dalje je spojen na izvor istosmjernog ili izmjeničnog napona, titranje membrane koje uzrokuje odjek ultrazvučnog vala u prvom slučaju mijenja kapacitet između ploča, a u drugom slučaju mijenja frekvenciju osciliranja te se te promjene detektiraju kao prijem odjeka. U načelu princip rada je isti kao i kod bilo kojeg elektrostatičkog (kondenzatorskog) zvučnika i mikrofona za čujne audio signale.
Čitav uređaj se napaja naponom od 6 V preko dvije dugmaste baterije tipa CR2032. Naš primjerak se na testu pokazao ispravnim. Na kućištu je oznaka INA-Zagreb te je vjerojatno bio namijenjen za mjerenje razine goriva u dubokim tankovima. Nama pak je nekako jednostavnije (i sigurnije) duljine do 12 metara unutar kućanstva ipak mjeriti sa klasičnim metrom sa narolanom mjernom trakom, posebice jer je rijetko kada i potrebno mjeriti nešto dulje od par metara 🙂