Cum se utilizează detectarea cu ultrasunete în contoarele de apă inteligente

Extinderea și îmbunătățirea contorizării inteligente a apei este un element esențial pentru gestionarea eficientă a apei. Contorizarea ajută la identificarea și localizarea scurgerilor în sistemele de distribuție a apei și îi poate ajuta pe utilizatori să îmbunătățească conservarea apei pe timp de secetă sau în timpul altor limitări ale aprovizionării cu apă. Tehnologia de măsurare a debitmetrelor cu ultrasunete este tot mai adoptată în mediul industrial, comercial și rezidențial. Aceste contoare oferă mai multe avantaje în comparație cu contoarele de apă mecanice tradiționale: nu există piese mobile, ceea ce reduce la minimum întreținerea și maximizează fiabilitatea, au un consum redus de energie și o baterie poate dura mulți ani, oferă o precizie ridicată și pot fi proiectate pentru a oferi măsurători bidirecționale.

Acest articol descrie funcționarea și integrarea senzorilor de debit cu ultrasunete în contoarele de apă inteligente și trece în revistă standardele internaționale pentru precizia contoarelor rezidențiale. Apoi prezintă exemple de componente adecvate pentru utilizarea în aceste contoare, inclusiv un ansamblu de senzori cu ultrasunete de la Audiowell, circuite integrate de front-end analogic (AFE) și convertor timp-digital (TDC), plus o unitate microcontroler (MCU) și o placă de evaluare de la Texas Instruments, precum și componente de „suport”, inclusiv un emițător-receptor RF cu pornire securizată de la Silicon Labs și o baterie principală cu durată lungă de vaiță de la Tadiran. Se încheie cu câteva sugestii pentru îmbunătățirea preciziei debitmetrelor cu ultrasunete.

Un debitmetru cu ultrasunete cu timp de tranzit tipic include două traductoare piezoelectrice pentru generarea a două serii de impulsuri ultrasonice trimise în direcții opuse prin apa care curge. Diferența de timp de zbor (ToF sau timpul de deplasare) dintre impulsurile din aval și cele din amonte se folosește pentru a măsura debitul de apă. Alte blocuri funcționale includ (Figura 1):

• O oglindă acustică pentru fiecare traductor piezoelectric
• Un circuit integrat pentru ToF de tranzit, care constă adesea din două circuite integrate, un front-end analogic pentru interfațarea cu traductoarele și un cronometru separat cu precizie de picosecunde pentru măsurarea ToF
• Un microcontroler pentru a calcula debitul și a face legătura cu circuitul integrat de comunicații și cu un afișaj opțional
• O baterie cu durată lungă de viață sau o altă sursă de alimentare (nu este prezentată)

Figura 1: două serii de impulsuri ultrasonice sunt trimise în direcții opuse. Diferența de timp de zbor (timp de deplasare) dintre impulsurile din aval (albastru) și cele din amonte (roșu) este utilizată pentru a măsura debitul de apă. (Sursa imaginii: Audiowell)

La începutul fiecărui impuls ultrasonic, se generează un semnal de „start” pentru a marca începutul măsurătorii ToF. Atunci când impulsul ajunge la receptor, se generează un semnal de „oprire”, iar intervalul dintre „start” și „stop” este utilizat pentru a determina ToF pe baza unei funcții de cronometru. Atunci când nu curge apă, măsurătorile timpului de tranzit vor fi identice. În condiții normale de curgere, valul din amonte se va deplasa mai lent decât cel din aval. Dacă apa curge în sens invers, viteza de deplasare a valurilor va fi inversată în raport cu senzorii.

Standarde pentru precizia contoarelor rezidențiale

Contoarele de debit destinate aplicațiilor rezidențiale trebuie să fie proiectate astfel încât să respecte diverse standarde. De exemplu, cerințele metrologice pentru eroarea maximă admisibilă (MPE) pentru contoarele de apă sunt definite de Organizația Internațională de Metrologie Legală (OIML) printr-o serie de valori numite Q1, Q2, Q3 și Q4 (Tabelul 1).

Tabelul 1: standardele OIML pentru MPE-urile contoarelor de apă rezidențiale se bazează pe o serie de patru zone de debit. (Sursa tabelului: Texas Instruments)

Valoarea numerică a lui Q3 desemnează un contor de apă în metri cubi pe oră (m^3/h) și raportul Q3/Q1. Valoarea lui Q3 și raportul Q3/Q1 se regăsesc în listele incluse în standardele OIML. Contoarele de apă sunt definite ca fiind de clasa 1 sau de clasa 2 pe baza MPE:

• Contoare clasa 1
  • MPE pentru zona cu debit mai mic, între Q1 și Q2, este de ±3%, indiferent de temperatură.
  • MPE pentru zona superioară a debitului, între Q2 și Q4, este de ±1%, pentru temperaturi cuprinse între 0,1 și +30 °C, și de ±2% pentru temperaturi mai mari de +30 °C.
• Contoare clasa 2
  • MPE pentru zona cu debit mai mic este de ±5%, indiferent de temperatură.
  • MPE pentru zona superioară a debitului este de ±2%, pentru temperaturi cuprinse între 0,1 și +30 °C, și de ±3% pentru temperaturi mai mari de +30 °C.

Tub de curgere a apei reci cu ultrasunete

Senzorul de debit cu ultrasunete HS0014-000 de la Audiowell constă într-o pereche de traductoare de debit cu ultrasunete și reflectoare corespunzătoare într-o țeavă de polimer DN15 pe care proiectanții o pot utiliza în contoarele de apă inteligente ToF (Figura 2). Acesta are o pierdere de presiune redusă, fiabilitate ridicată și o precizie de ±2,5%. Este clasificat pentru funcționare la temperaturi cuprinse între 0,1 și +50 °C și funcționează cu o intrare maximă de 5 volți între vârfuri la 1 MHz, fiind proiectat pentru utilizare în aplicații rezidențiale de clasa 2, așa cum sunt definite în standardele OIML.

Figura 2: senzorul de debit cu ultrasunete HS0014-000 include o pereche de traductoare de debit cu ultrasunete într-o țeavă de polimer. (Sursa imaginii: Audiowell)

Texas Instruments (TI) oferă un trio de circuite integrate pe care proiectanții le pot utiliza cu HS0014-000 în contoarele de apă ToF cu ultrasunete. TDC1000 este un AFE complet integrat pentru măsurători de detecție cu ultrasunete. Acesta este programabil și poate fi configurat pentru mai multe impulsuri de transmisie, frecvențe, prag de semnal și câștig adecvat pentru traductoare care funcționează de la 31,25 kiloHertz (kHz) la 4 MegaHertz (MHz), cu factori de calitate (Q) variabili. TDC1000 dispune de moduri de funcționare cu consum redus de energie, potrivite pentru proiectele debitmetrelor ToF inteligente cu ultrasunete, alimentate cu baterii.

Figura 3: TDC1000 este un AFE complet integrat care poate fi asociat cu HS0014-000 în proiectele contoare lorde apă inteligente ToF. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Al doilea circuit integrat de la TI este TDC7200, un TDC și un cronometru cu precizie de picosecunde (Figura 4). Acest dispozitiv are o bază de timp internă autocalibrată care permite o precizie de conversie la nivel de picosecunde și permite măsurători precise în condiții de debit scăzut și fără debit. În plus, modul autonom de calculare a mediei pe mai multe cicluri poate fi utilizat pentru a permite MCU-ului gazdă să intre în modul de veghe pentru a economisi energie, MCU-ul activându-se numai atunci când TDC7200 a finalizat secvența de măsurare.

Figura 4: TDC și cronometrul cu precizie de picosecunde TDC7200 sunt concepute pentru a funcționa cu AFE TDC1000. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

În plus, TI oferă MSP430FR6047, un MCU de foarte mică putere cu un front-end analogic de detectare a ultrasunetelor integrat pentru măsurători precise și exacte. Acest dispozitiv include un accelerator cu consum redus de energie pentru procesarea semnalelor, permițând proiectanților să optimizeze consumul de energie pentru a prelungi durata de viață a bateriei. De asemenea, MCU MSP430FR600x integrează mai multe periferice utile pentru proiectele de contorizare inteligentă, inclusiv:

• Driver LCD
• Ceas în timp real (RTC)
• Convertor analogic-digital (ADC) cu registre de aproximare succesivă (SAR) pe 12 biți
• Comparator analogic
• Accelerator de criptare pentru AES256
• Un modul de verificare a redundanței ciclice (CRC)

Contor cu ultrasunete EVB

Pentru a accelera procesul de dezvoltare și a reduce timpul de lansare pe piață, proiectanții pot utiliza EVM430-FR6047 pentru a evalua performanța MCU-urile MSP430FR6047 pentru detectarea cu ultrasunete în contoarele inteligente de apă (Figura 5). EVM acceptă o varietate de traductoare cu frecvențe cuprinse între 50 kHz și 2,5 MHz și include un ecran LCD încorporat pentru afișarea măsurătorilor și conectori pentru integrarea modulelor de comunicații RF.

Figura 5: EVM430-FR6047 poate fi utilizat pentru a evalua performanța MSP430FR6047 în detectarea ToF cu ultrasunete în contoarele de apă. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Componente suport

SoC-urile fără fir EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 din seria 2 de la Silicon Laboratories este o soluție cu o singură matriță care combină un Cortex-M33 de 38,4 MHz cu un radio de înaltă performanță de 2,4 GigaHertz (GHz) și caracteristici de securitate integrate care asigură criptare rapidă, încărcarea inițializării securizate și un control al accesului la depanare (Figura 6). Acest dispozitiv are o putere maximă de ieșire de până la 6 decibeli-metri (dBm) și o sensibilitate de recepție de -102,1 dBm (250 kbit/s OQPSK). EFR32FG22C121F512GM32 combină o putere de transmisie și recepție ultra-redusă (transmisie 8,2 miliamperi (mA) la +6 dBm, recepție 3,6 mA), 1,2 microamperi (µA) în modul de somn profund și oferă o legătură robustă de radiofrecvență (RF) pentru comunicații fiabile și eficiență energetică ridicată pentru contoare inteligente și aplicații similare.

Figura 6: SoC-urile wireless EFR32FG22 din seria 2 includ un nucleu ARM Cortex-M33 la 38,4 MHz cu funcții de criptare rapidă și de încărcare la pornire securizată. (Sursa imaginii: DigiKey)

Bateriile din clorură de litiu-tionil (LiSOCl2) de tip bobină, cum ar fi TL-5920/T cu lamele de lipit (Figura 7) și TL-5920/S cu conexiuni standard de la Tadiran, sunt potrivite în special pentru utilizarea în contoare inteligente de apă, gaz și electricitate. Aceste baterii principale au o capacitate nominală de 8,5 amperi-oră (Ah) atunci când sunt descărcate la o rată de 3 mA la o tensiune la borne (V) de 2 V, o tensiune nominală de 3,6 V, un curent nominal maxim continuu de 230 mA, un curent nominal maxim de impuls de 400 mA și un interval al temperaturii de funcționare de la -55 la +85 °C. Aceste baterii pot dura între 20 și 30 de ani – la fel de mult ca și contorul – fără a fi nevoie de înlocuirea costisitoare a bateriei.

Figura 7: bateriile LiSOCl2, cum ar fi TL-5920/T, pot funcționa până la 30 de ani și sunt potrivite pentru aplicațiile pentru contoare inteligente. (Sursa imaginii: DigiKey)

Îmbunătățirea preciziei

Tehnicile de compensare, calibrare și adaptare a impedanței pot fi utilizate pentru a îmbunătăți precizia contoarelor de apă ToF cu ultrasunete:

• Precizia măsurătorilor în cazul aparatelor de măsură ToF cu ultrasunete este limitată de gradul de constanță a vitezei sunetului, precum și de precizia componentelor electronice de procesare a semnalului. Viteza sunetului poate varia în funcție de densitate și temperatură. Ar trebui adăugată o compensare pentru a calibra și ajusta modificările vitezei sunetului și orice variații ale circuitelor de procesare a semnalului.

• Aparatele de măsură ToF cu ultrasunete sunt, de obicei, calibrate în fabrică. Parametrii de calibrare pot include întârzierile datorate traductoarelor, dispozitivelor electronice și cablurilor, orice corecție de decalak ΔToF necesară pentru fiecare traseu acustic și parametrii geometrici care depind de proiectare. Calibrarea din fabrică poate îmbunătăți precizia în condiții de debit scăzut și fără debit și nu ar trebui să afecteze precizia în condiții de debit ridicat.

• Este nevoie de o pereche foarte simetrică de trasee de semnal de emisie și de recepție pentru a minimiza sau a elimina decalajul ΔToF în condiții de flux static. O soluție de adaptare a impedanței poate fi utilizată pentru a controla impedanțele fiecărui traseu. Acest lucru simplifică calibrarea ΔToF și rezultă într-o abatere foarte mică a erorii la debit zero în intervalele de presiune și temperatură operaționale, chiar dacă traductoarele nu sunt perfect adaptate.

Rezumat

Contoarele de apă inteligente ToF cu ultrasunete sunt tot mai căutate în aplicațiile rezidențiale, industriale și comerciale pentru a ajuta la identificarea și localizarea scurgerilor în sistemele de distribuție a apei și pentru a oferi utilizatorilor informațiile necesare pentru a îmbunătăți conservarea apei. Traductoarele piezoelectrice sunt utilizate pentru a genera două serii de impulsuri ultrasonice care sunt trimise în direcții opuse prin apa care curge. Diferența ToF dintre impulsurile din aval și cele din amonte este utilizată pentru a măsura debitul de apă și poate accepta măsurători bidirecționale ale debitului. Aceste contoare nu au piese mobile, ceea ce le face extrem de fiabile și eficiente din punct de vedere energetic. OIML a stabilit standarde internaționale pentru clasificarea nivelurilor MPE ale contoarelor de apă. Tehnicile de compensare, calibrarea și adaptarea impedanței pot fi utilizate pentru a îmbunătăți precizia acestor aparate.