Jak používat ultrazvukové snímání v chytrých vodoměrech

Rozšiřování a zlepšování chytrého měření vody je základním prvkem efektivního vodního hospodářství. Měření pomáhá identifikovat a lokalizovat úniky v rozvodech vody a může pomoci uživatelům zlepšit ochranu vody během sucha nebo jiných omezení dodávek vody. Technologie ultrazvukových průtokoměrů získává přijetí v průmyslových, komerčních a rezidenčních prostředích. Tyto vodoměry nabízejí několik výhod ve srovnání s tradičními mechanickými vodoměry: neobsahují žádné pohyblivé součásti, což minimalizuje údržbu a maximalizuje spolehlivost, mají nízkou spotřebu a baterie vydrží mnoho let, poskytují vysokou přesnost a mohou být navrženy tak, aby podporovaly obousměrná měření.

Tento článek popisuje provoz a integraci ultrazvukových snímačů průtoku v chytrých vodoměrech a stručně shrnuje mezinárodní standardy pro přesnost domácích vodoměrů. Dále uvádí příklady součástí vhodných pro použití v těchto měřičích, včetně sestavy ultrazvukového snímače od společnosti Audiowell, analogového rozhraní (AFE) a časově-digitálního převodníku (TDC), jednotky mikrokontroléru (MCU) a vyhodnocovací desky od společnosti Texas Instruments, jakož i „pomocných“ součástí včetně RF transceiveru s zabezpečeným spouštěním od společnosti Silicon Labs a primární baterie s dlouhou životností od společnostiTadiran. V závěru jsou uvedeny některé návrhy na zlepšení přesnosti ultrazvukového průtokoměru.

Typický ultrazvukový průtokoměr na principu doby letu (ToF) obsahuje dva piezoelektrické měniče pro generování dvou sérií ultrazvukových impulsů vysílaných v opačných směrech do vodního průtoku. Rozdíl časů letu (ToF nebo doba letu) mezi pulzy po proudu a proti proudu se používá k měření průtoku vody. Mezi další funkční bloky patří (obrázek 1):

• Akustické zrcadlo pro každý z piezoelektrických měničů
• IO na měření doby letu (ToF), obvykle složený ze dvou IO, a sice analogového rozhraní pro komunikaci s převodníky a samostatných, pikosekundově přesných stopek na měření hodnoty ToF
• Mikrokontrolér na výpočet průtoku, propojení s komunikačním IO a volitelný displej
• Baterie s dlouhou životností nebo jiný zdroj energie (nezobrazeno)

Obrázek 1: Dvě série ultrazvukových pulzů jsou vysílány v opačných směrech. Rozdíl časů letu (doba cesty) mezi impulzy po proudu (modrá) a proti proudu (červená) se používá k měření průtoku vody. (Zdroj obrázku: Audiowell)

Na začátku každého ultrazvukového pulzu je vygenerován signál „start“, který označuje začátek měření ToF. Jakmile impuls dospěje k přijímači, je vygenerován signál „stop“. Interval mezi signály „start“ a „stop“ zjištěný pomocí stopek se pak používá k výpočtu doby letu (ToF). Pokud neprotéká žádná voda, budou měření doby průchodu stejná. Za normálních podmínek proudění se vlna proti proudu bude pohybovat pomaleji než vlna po proudu. Pokud voda proudí v opačném směru, bude rychlost šíření vlny vzhledem k senzorům obrácená.

Normy pro přesnost bytových elektroměrů

Průtokoměry určené pro rezidenční aplikace musí být navrženy tak, aby splňovaly různé normy. Například metrologické požadavky na největší dovolenou chybu (MPE) vodoměrů definuje Mezinárodní organizace legální metrologie (OIML) řadou hodnot označených jako Q1, Q2, Q3 a Q4 (tabulka 1).

Tabulka 1: Normy OIML pro bytové vodoměry MPE jsou založeny na sérii čtyř zón průtoku. (Zdroj tabulky: Texas Instruments)

Číselná hodnota Q3 je měřená vodoměrem v metrech krychlových za hodinu (m³ /h) a je použitá v poměru Q3/Q1. Hodnota Q3 a poměr Q3/Q1 jsou uvedeny v seznamech obsažených v normách OIML. Vodoměry na základě požadavku MPE rozděleny na třídu 1 nebo třídu 2 :

• Měřiče třídy 1
  • MPE pro dolní zónu průtoku mezi Q1 a Q2 je ±3 % bez ohledu na teplotu.
  • MPE pro horní zónu průtoku mezi Q2 a Q4 je ±1 % pro teploty od 0,1 do +30 °C a ±2 % pro teploty vyšší než +30 °C.
• Měřiče třídy 2
  • MPE pro dolní zónu průtoku je ±5 % bez ohledu na teplotu.
  • MPE pro horní zónu průtoku je ±2 % pro teploty od 0,1 do +30 °C a ±3 % pro teploty vyšší než +30 °C.

Ultrazvuková trubice pro proudění studené vody

Ultrazvukový snímač průtoku HS0014-000 od společnosti Audiowell se skládá z dvojice ultrazvukových měničů průtoku a odpovídajících reflektorů v polymerovém potrubí DN15, které mohou konstruktéři použít v chytrých vodoměrech na principu ToF (obrázek 2). Vyznačuje se nízkou tlakovou ztrátou, vysokou spolehlivostí a přesností ±2,5 %. Je dimenzován pro provoz v teplotním rozsahu 0,1 až +50 °C, pracuje s maximálním vstupním napětím 5 V špička-špička při 1 MHz a je navržen pro použití v obytných aplikacích třídy 2, jak je definováno v normách OIML.

Obrázek 2: Ultrazvukový snímač průtoku HS0014-000 obsahuje pár ultrazvukových měničů v polymerovém potrubí. (Zdroj obrázku: Audiowell)

Společnost Texas Instruments (TI) nabízí trojici integrovaných obvodů, které mohou konstruktéři používat společně se snímačem HS0014-000 v ultrazvukových vodoměrech ToF. Model TDC1000 je plně integrované analogové rozhraní (AFE) pro měření s ultrazvukovým snímáním. Rozhraní je programovatelné a lze je nastavit na více vysílacích impulsů, frekvencí, prahových hodnot signálu a zesílení vhodných pro převodníky pracující od 31,25 kHz do 4 MHz s různými činiteli jakosti (Q). Rozhraní TDC1000 nabízí nízkoenergetické provozní režimy vhodné pro inteligentní ultrazvukové průtokoměry ToF napájené baterií.

Obrázek 3: TDC1000 je plně integrované analogové rozhraní (AFE), které lze spárovat se snímačem HS0014-000 v inteligentních konstrukcích vodoměru na principu ToF. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Druhým IO od společnosti TI je TDC7200, časově-digitální převodník (TDC) a stopky s přesností pikosekund (obrázek 4). Tato součást má vnitřní samokalibrovanou časovou základnu, která umožňuje konverzi s přesností pikosekund a podporuje přesná měření stavů nízkého průtoku a bez průtoku. Dále je možné použít režim autonomního vícecyklového průměrování, který umožňuje uvedení hostitelské jednotky MCU do režimu spánku z důvodů úspory energie, přičemž jednotka MCU se probouzí teprve poté, co rozhraní TDC7200 dokončí sekvenci měření.

Obrázek 4: TDC7200 TDC a stopky s přesností pikosekund jsou navrženy na spolupráci s analogovým rozhraním TDC1000. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Společnost TI dále nabízí ultra-nízkoenergetickou jednotku MCU MSP430FR6047 s integrovaným analogovým rozhraním s ultrazvukovým snímáním pro přesná a spolehlivá měření. Tato součást obsahuje nízkoenergetický akcelerátor pro zpracování signálu, který konstruktérům umožňuje optimalizovat spotřebu energie a prodloužit životnost baterie. Jednotky MCU MSP430FR600x dále integrují několik praktických periferií pro konstrukce inteligentních měření, včetně:

• LCD ovladače
• Hodin reálného času (RTC)
• 12bitového analogově-digitální převodníku (ADC) s registrem s postupnou aproximací (SAR)
• Analogového komparátoru
• Akcelerátoru šifrování pro AES256
• Modulu kontroly cyklické redundance (CRC)

Ultrazvukový měřič EVB

Pro urychlení procesu vývoje a zkrácení doby uvedení na trh mohou konstruktéři k vyhodnocování výkonu jednotek MCU MSP430FR6047 pro ultrazvukové snímání v chytrých vodoměrech využívat modul EVM430-FR6047 (obrázek 5). Modul EVM podporuje různé převodníky v rozsahu 50 kHz až 2,5 MHz, obsahuje zabudovaný LCD displej pro zobrazení naměřených hodnot a konektory pro integraci RF komunikačních modulů.

Obrázek 5: modul EVM430-FR6047 lze používat k vyhodnocování výkonu jednotky MSP430FR6047 v ultrazvukových vodoměrech se snímáním metodou ToF. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Pomocné součásti

Bezdrátové systémy na čipu (Soc) EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Series 2 od společnosti Silicon Laboratories jsou řešeními s jednou matricí kombinující jádro 38,4 MHz Cortex-M33 s vysoce výkonným 2,4GHz radiovým modulem a integrovanými bezpečnostními funkcemi, které poskytují rychlé šifrování, zabezpečené spouštění a řízení přístupu k ladění (obrázek 6). Tento systém má maximální výstupní výkon až 6 dBm a citlivost příjmu -102,1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. Systém EFR32FG22C121F512GM32 kombinuje extrémně nízký vysílací a přijímací výkon (8,2 mA vysílání při +6 dBm, 3,6 mA příjem), výkon 1,2 µA výkon v režimu hlubokého spánku a poskytuje robustní vysokofrekvenční (RF) spojení pro spolehlivou komunikaci a vysokou energetickou účinnost pro inteligentní měřiče a podobné aplikace.

Obrázek 6: Bezdrátové systémy na čipu (SoC) EFR32FG22 Series 2 zahrnují 38,4MHz jádro ARM Cortex-M33 s rychlým šifrováním a funkcemi bezpečného spouštění. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Lithium-thionylchloriduové (LiSOCl2) baterie s hrníčkovou konstrukcí, například modely TL-5920/T s pájecími výstupky (obrázek 7) a TL-5920/S se standardními přívody od společnosti Tadiran jsou zvláště vhodné pro použití v inteligentních měřičích vody, plynu a elektřiny. Tyto primární baterie mají jmenovitou kapacitu 8,5 Ah při vybíjení rychlostí 3 mA na svorkové napětí 2 V, jmenovité napětí 3,6 V, maximální jmenovitý trvalý proud 230 mA, maximální jmenovitý pulzní proud 400 mA a rozsah provozních teplot -55 až +85 °C. Tyto baterie mohou vydržet 20 až 30 let - stejně dlouho jako měřidlo - bez nutnosti nákladné výměny.

Obrázek 7: Baterie LiSOCl2, například TL-5920/T, mohou vydržet až 30 let a jsou vhodné pro aplikace inteligentních měřičů. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Zlepšení přesnosti

Pro zlepšení přesnosti ultrazvukových vodoměrů ToF lze využívat různé metody kompenzace, kalibrace a přizpůsobení impedance:

• Přesnost měření v ultrazvukových ToF měřicích je omezena stupněm, do kterého je rychlost zvuku konstantní, jakož i přesností elektroniky zpracování signálu. Rychlost zvuku se může měnit s hustotou a teplotou. Jako kalibraci a regulaci změn rychlosti zvuku a jakýchkoli odchylek v obvodech zpracování signálu je nutné provádět kompenzaci.

• Ultrazvukové měřiče ToF jsou obvykle zkalibrovány na sucho výrobcem. Kalibrační parametry mohou zahrnovat časová zpoždění vlivem převodníků, elektroniky a kabelů, jakoukoli potřebnou korekci offsetu ΔToF pro každou akustickou cestu a konstrukčně závislé geometrické parametry. Tovární kalibrace může zlepšit přesnost ve stavu nízkého a nulového průtoku a neměla by ovlivnit přesnost ve stavu vysokého průtoku.

• Minimalizace nebo odstranění offsetu ΔToF ve stavu statického průtoku vyžaduje vysokou symetrii páru vysílacích a přijímacích signálových cest. K řízení impedance jednotlivých cest lze využívat řešení impedančního přizpůsobení. Takové řešení zjednodušuje kalibraci ΔToF a vede k velmi malému driftu chyby při nulovém průtoku v provozním rozsahu tlaku a teploty i tehdy, pokud snímače nejsou dokonale přizpůsobeny.

Shrnutí

Ultrazvukové inteligentní vodoměry na principu doby letu (ToF) získávají podíl na trhu v rezidenčních, průmyslových a komerčních aplikacích, aby pomohly identifikovat a lokalizovat úniky v rozvodech vody a poskytovaly uživatelům informace potřebné ke zlepšení ochrany vodních zdrojů. Piezoelektrické měniče se používají ke generování dvou sérií ultrazvukových impulsů, které jsou vysílány v opačných směrech do vodního průtoku. Rozdíl v době letu (ToF) mezi impulzy po proudu a proti proudu se používá k měření průtoku vody a může podporovat obousměrná měření průtoku. Tyto měřiče nemají žádné pohyblivé části, což je činí vysoce spolehlivými a energeticky účinnými. Organizace OIML stanovila mezinárodní standardy pro klasifikaci úrovní MPE vodoměrů. Ke zlepšení přesnosti těchto měřičů lze použít kompenzační techniky, kalibraci a přizpůsobení impedance.