Sådan bruges ultralydsaflæsning i intelligente vandmålere

Udvidelse og forbedring af intelligent vandmåling er et vigtigt element i en effektiv vandforvaltning. Måling hjælper med at identificere og lokalisere lækager i vandforsyningssystemer og kan hjælpe brugerne med at forbedre vandbesparelsen under tørke eller andre begrænsninger i vandforsyningen. Teknologien med ultralydsflowmåler vinder indpas i industrielle, kommercielle og private miljøer. Disse målere har flere fordele i forhold til traditionelle mekaniske vandmålere: Der er ingen bevægelige dele, hvilket minimerer vedligeholdelsen og maksimerer pålideligheden, de har lavt strømforbrug, og et batteri kan holde i mange år, de giver høj nøjagtighed, og de kan designes til at understøtte tovejsmålinger.

Denne artikel beskriver driften og integrationen af ultralydsflow-sensorer i intelligente vandmålere og gennemgår kort de internationale standarder for nøjagtighed af vandmålere i boliger. Derefter præsenteres eksempler på komponenter, der er egnede til brug i disse målere, herunder en ultralydssensor fra Audiowell, analog front end (AFE) og tid-til-digital-konverter (TDC) IC'er, plus en mikrocontroller-enhed (MCU) og et evalueringskort fra Texas Instruments samt "støttekomponenter", herunder en RF-transceiver med sikker opstart fra Silicon Labs og et primærbatteri med lang levetid fra Tadiran. Den afsluttes med nogle forslag til forbedring af nøjagtigheden af ultralydsflowmålere.

En typisk ultralydsflowmåler med transittid omfatter to piezoelektriske transducere til at generere to serier af ultralydspulser, der sendes i modsatte retninger gennem det strømmende vand. Forskellen i flyvetid (ToF, eller rejsetid) mellem impulserne nedstrøms og opstrøms bruges til at måle vandets strømningshastighed. Andre funktionsblokke omfatter (figur 1):

• Et akustisk spejl til hver af de piezoelektriske transducere
• En transit-ToF-IC, som ofte består af to IC'er, en analog front-end til grænsefladen til transducere og et separat picosecond nøjagtigt stopur til måling af ToF
• En mikrocontroller til beregning af flowet og forbindelse til kommunikations-IC'en og et valgfrit display
• Et batteri med lang levetid eller en anden strømkilde (ikke vist)

Figur 1: To serier af ultralydsimpulser sendes i modsatte retninger. Forskellen i flyvetid (rejsetid) mellem de nedstrøms (blå) og opstrøms (røde) impulser bruges til at måle vandets strømningshastighed. (Billedkilde: Audiowell)

Ved begyndelsen af hver ultralydspuls genereres et "start"-signal for at markere begyndelsen af ToF-målingen. Når pulsen når frem til modtageren, genereres et "stop"-signal, og intervallet mellem "start" og "stop" bruges til at bestemme ToF på grundlag af en stopur-funktion. Når der ikke strømmer vand, vil transittidsmålingerne være identiske. Under normale strømforhold vil bølgen opstrøms bevæge sig langsommere end bølgen nedstrøms. Hvis vandet strømmer i den modsatte retning, vil bølgernes bevægelseshastighed være omvendt i forhold til sensorerne.

Standarder for nøjagtighed af målere til boliger

Gennemstrømningsmålere, der er beregnet til boliger, skal være konstrueret til at opfylde forskellige standarder. F.eks. er de metrologiske krav til den maksimale tilladte fejl (MPE) for vandmålere defineret af Den Internationale Organisation for Lovlig Metrologi (OIML) ved hjælp af en række værdier kaldet Q1, Q2, Q3 og Q4 (tabel 1).

Tabel 1: OIML-standarderne for vandmålere til husholdningsbrug MPE'er er baseret på en række af fire flowhastighedszoner. (Kilde til tabellen: Texas Instruments)

Den numeriske værdi af Q3 angiver en vandmåler i kubikmeter pr. time (m³/h) og forholdet Q3/Q1. Værdien af Q3 og forholdet Q3/Q1 findes i listerne i OIML-standarderne. Vandmålere defineres som klasse 1 eller klasse 2 på grundlag af maksimal fejlgrænseværdierne:

• Klasse 1-målere
  • Den maksimale tilladelige fejl for den nederste strømningshastighedszone mellem Q1 og Q2 er ± 3 %, uanset temperaturen.
  • Den maksimale tilladelige fejl for den øvre strømningshastighedszone mellem Q2 og Q4 er ±1 % for temperaturer fra 0,1 til +30 °C og ±2 % for temperaturer over +30 °C.
• Klasse 2-målere
  • Den maksimale tilladelige fejl for den nederste strømningshastighedszone er ±5 %, uanset temperaturen.
  • Den maksimale tilladelige fejl for den øvre strømningshastighedszone er ±2 % for temperaturer fra 0,1 til +30 °C og ±3 % for temperaturer over +30 °C.

Ultralyd koldt vand flow tube

HS0014-000 ultralydsflow-sensoren fra Audiowell består af et par ultralydsflowtransducere og tilsvarende reflektorer i et DN15-polymerrør, som designere kan bruge i ToF-smarte vandmålere (figur 2). Den har et lavt tryktab, høj pålidelighed og en nøjagtighed på ±2,5 %. Den er beregnet til drift fra 0,1 til +50 °C og fungerer med et maksimalt input på 5 volt peak-to-peak ved 1 MHz og er designet til brug i klasse 2-anvendelser i boliger som defineret i OIML-standarderne.

Figur 2: HS0014-000 ultralydsstrømningssensor omfatter et par ultralydsstrømningsomformere i et polymerrør. (Billedkilde: Audiowell)

Texas Instruments (TI) tilbyder en trio af IC'er, som designere kan bruge sammen med HS0014-000 i ultralyds-ToF-vandmålere. TDC1000 er en fuldt integreret AFE til ultralydsmålinger. Den er programmerbar og kan indstilles til flere sendeimpulser, frekvenser, signaltærskel og forstærkning, der passer til transducere, der arbejder fra 31,25 kiloHertz (kHz) til 4 MegaHertz (MHz) med varierende kvalitetsfaktorer (Q). TDC1000 har driftstilstande med lavt strømforbrug, der er velegnet til batteridrevne smarte ultralyds-ToF-flowmålerdesigns.

Figur 3: TDC1000 er en fuldt integreret AFE, der kan kombineres med HS0014-000 i ToF-design af intelligente vandmålere. (Billedkilde: Texas Instruments)

Den anden IC fra TI er TDC7200, en TDC og et picosekund nøjagtigt stopur (figur 4). Denne enhed har en intern selvkalibreret tidsbase, der muliggør picosecond-konverteringsnøjagtighed og understøtter nøjagtige målinger af lavt flow og ingen flowforhold. Desuden kan den autonome multicyklus-middelingstilstand bruges til at tillade værts-MCU'en at gå i dvaletilstand for at spare strøm, idet MCU'en kun vågner op, når målesekvensen er afsluttet af TDC7200.

Figur 4: TDC7200 TDC og det picosekunder nøjagtige stopur er designet til at fungere sammen med TDC1000 AFE. (Billedkilde: Texas Instruments)

TI tilbyder også MSP430FR6047, en MCU med ultra lavt strømforbrug og integreret analog front-end til ultralydsaflæsning til præcise og nøjagtige målinger. Denne enhed indeholder en lav-energiaccelerator til signalbehandling, så designerne kan optimere strømforbruget for at forlænge batterilevetiden. MSP430FR600x MCU'erne integrerer også flere perifere enheder, der er nyttige til design af intelligente målere, herunder:

• LCD-driver
• Realtidsur (RTC)
• 12-bit SAR-register (successive-approximation-register) analog-til-digital-konverter (ADC)
• Analog komparator
• Krypteringsaccelerator for AES256
• Et CRC-modul (cyklisk redundanskontrol)

Ultralydsmåler EVB

For at fremskynde udviklingsprocessen og reducere tiden til markedsføring kan designere bruge EVM430-FR6047 til at evaluere ydeevnen af MSP430FR6047 MCU'er til ultralydsaflæsning i intelligente vandmålere (Figur 5). EVM'en understøtter en række transducere fra 50 kHz til 2,5 MHz og omfatter en indbygget LCD-skærm til visning af målinger og stik til integration af RF-kommunikationsmoduler.

Figur 5: EVM430-FR6047 kan bruges til at evaluere MSP430FR6047's ydeevne i ultralyds-Tof-følelse i vandmålere. (Billedkilde: Texas Instruments)

Støttekomponenter

EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Series 2 trådløse SoC'er fra Silicon Laboratories er en single-die-løsning, der kombinerer en 38,4 MHz Cortex-M33 med en højtydende 2,4 GigaHertz (GHz)-radio og integrerede sikkerhedsfunktioner, der giver hurtig kryptering, sikker opstartsindlæsning og en adgangskontrol for fejlfinding (figur 6). Denne enhed har en maksimal udgangseffekt på op til 6 decibelmeter (dBm) og en modtagefølsomhed på -102,1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. EFR32FG22C121F512GM32 kombinerer ultralav sende- og modtageeffekt (8,2 milliampere (mA) sendeeffekt ved +6 dBm, 3,6 mA modtageeffekt), 1,2 mikroampere (µA) strøm i dyb dvaletilstand og giver en robust radiofrekvens (RF)-forbindelse til pålidelig kommunikation og høj energieffektivitet til intelligente målere og lignende applikationer.

Figur 6: EFR32FG22 Series 2 trådløse SoC'er omfatter en 38,4 MHz ARM Cortex-M33-kerne med hurtig kryptering og sikre boot-loading-funktioner. (Billedkilde: DigiKey)

Lithium thionylchlorid-batterier (LiSOCl2) som TL-5920/T med loddefaner (figur 7) og TL-5920/S med standardtilslutninger fra Tadiran er særligt velegnede til brug i intelligente vand-, gas- og elmålere. Disse primærbatterier har en nominel kapacitet på 8,5 amperetimer (Ah) ved afladning på 3 mA til en terminalspænding (V) på 2 V, en nominel spænding på 3,6 V, en maksimal kontinuerlig strømstyrke på 230 mA, en maksimal impulsstrømstyrke på 400 mA og et driftstemperaturområde på -55 til +85 °C. Disse batterier kan holde i 20 til 30 år - lige så længe som måleren - uden at det er nødvendigt at udskifte batterierne dyrt.

Figur 7: LiSOCl2-batterier som TL-5920/T kan holde i op til 30 år og er velegnede til applikationer til intelligente målere. (Billedkilde: DigiKey)

Forbedring af nøjagtigheden

Kompensations-, kalibrerings- og impedanstilpasningsteknikker kan anvendes til at forbedre nøjagtigheden af ultralyds-ToF-vandmålere:

• Målingsnøjagtigheden i ultralyds-ToF-målere er begrænset af den grad, i hvilken lydhastigheden er konstant, samt af nøjagtigheden af signalbehandlingselektronikken. Lydhastigheden kan variere med densitet og temperatur. Der bør tilføjes kompensation for at kalibrere og justere for ændringer i lydhastigheden og eventuelle variationer i signalbehandlingskredsløbet.

• Ultrasoniske ToF-målere er normalt tørkalibreret på fabrikken. Kalibreringsparametre kan omfatte tidsforsinkelser som følge af transducere, elektronik og kabler, eventuel nødvendig ΔToF-offsetkorrektion for hver akustisk vej og konstruktionsafhængige geometriske parametre. Fabrikkalibrering kan forbedre nøjagtigheden ved lavt flow og ingen flow og bør ikke påvirke nøjagtigheden under høje flowhastighedsforhold.

• Der er behov for et par meget symmetriske sende- og modtagesignalveje for at minimere eller fjerne ΔToF-offset under statiske strømningsforhold. Der kan anvendes en impedanstilpasningsløsning til at styre impedanserne for hver vej. Dette forenkler ΔToF-kalibreringen og resulterer i en meget lille afvigelse af fejlen ved nulflow over de operationelle tryk- og temperaturområder, selv om transducere ikke er perfekt matchede.

Sammenfatning

Ultrasonic ToF smart vandmålere vinder markedsandele i bolig-, industri- og kommercielle applikationer for at hjælpe med at identificere og lokalisere lækager i vandforsyningssystemer og give brugerne de oplysninger, der er nødvendige for at forbedre vandforbruget. Der anvendes piezoelektriske transducere til at generere to serier af ultralydspulser, der sendes i modsatte retninger gennem det strømmende vand. ToF-forskellen mellem pulserne nedstrøms og opstrøms bruges til at måle vandets strømningshastighed og kan understøtte bidirektionelle flowmålinger. Disse målere har ingen bevægelige dele, hvilket gør dem meget pålidelige og energieffektive. OIML har fastsat internationale standarder for klassificering af vandmåleres maksimal tilladte fejlniveau. Kompensationsteknikker, kalibrering og impedanstilpasning kan bruges til at forbedre nøjagtigheden af disse målere.