Statystyki są alarmujące: w samych Stanach Zjednoczonych wycieki z gospodarstw domowych powodują marnowanie około 900 miliardów galonów wody każdego roku. Ujmując tę liczbę z perspektywy, wystarczy wody do zaopatrzenia około 11 milionów domów rocznie. Inne kraje - od Europy po Azję - stoją przed podobnymi wyzwaniami. Dodatkowo spodziewane są niedobory wody.
Ale pomoc jest tutaj. Technologia ultradźwiękowa daje wodomierzom instalowanym w inteligentnych budynkach i inteligentnych miastach możliwość wykrywania i lokalizowania wycieków nawet do jednej kropli na kilka sekund. Miasta od Austin po Antwerpię instalują zaawansowane technologicznie inteligentne wodomierze, które dostarczą klientom informacji potrzebnych do znalezienia wycieków i oszczędzania wody, pomagając jednocześnie przedsiębiorstwom w identyfikacji wycieków infrastruktury w starzejących się rurach i uszkodzonych wodociągach.
„Woda, którą mamy dzisiaj, jest jedyną wodą, jaką kiedykolwiek będziemy mieć” - mówi Holly Holt-Torres, kierownik ds. Ochrony wody w City of Dallas Water Utilities. „Musimy to chronić. Technologia pozwoli nam to robić na coraz wyższym poziomie ”.
Ale ta ultradźwiękowa technologia ma zastosowania wykraczające poza wodomierze. Tę samą technologię można zastosować w licznikach mierzących przepływ gazu ziemnego, a nawet wykrywających mieszaninę gazu przepływającego przez rury. Może nawet pomóc lekarzom regulować dostarczanie tlenu do sprzętu chirurgicznego.
Płynąc z prądem
Oczywiście fale ultradźwiękowe nie są nowe. Na przykład nietoperze używają zasięgu ultradźwiękowego, aby omijać przeszkody i łapać owady w nocy. W bardziej zaawansowanych technologicznie zastosowaniach jest używany do rozpoznawania materiałów, unikania kolizji w samochodach oraz obrazowania przemysłowego i medycznego.
Teraz jest używany w wodomierzach i innych przepływomierzach. Liczniki tradycyjnie opierały się na systemie elektromechanicznym z obracającym się wrzecionem lub przekładnią, która wykorzystuje element magnetyczny do generowania impulsów. Ale - podobnie jak w przypadku termostatów, silników i wielu innych urządzeń codziennego użytku - systemy elektromechaniczne w przepływomierzach szybko przechodzą na systemy elektroniczne.
W tych systemach para immersyjnych przetworników ultradźwiękowych mierzy prędkość fal akustycznych w płynie. Prędkość propagacji fali akustycznej jest funkcją lepkości, natężenia przepływu i kierunku przepływu płynu przez rurę. Fale ultradźwiękowe poruszają się z różnymi prędkościami w zależności od sztywności medium, przez które przechodzą.
Dokładność pomiaru zależy od jakości przetwornika, precyzyjnych obwodów analogowych oraz algorytmów przetwarzania sygnału. Przetworniki akustyczne lub ultradźwiękowe to materiały piezoelektryczne, które przekształcają sygnały elektryczne w drgania mechaniczne ze stosunkowo wysoką częstotliwością setek kiloherców. Zwykle para przetworników ultradźwiękowych w zakresie 1-2 MHz musi być dobrze dopasowana i skalibrowana, aby dokładnie zmierzyć przepływ. Stanowią znaczną część kosztu przepływomierza. System czujników musi działać przy bardzo niskim poborze mocy, aby zapewnić 15-20 lat żywotności baterii.
Zaawansowany układ pomiaru przepływu naszej firmy, MSP430FR6043, zawiera unikalny analogowy przód i algorytm, co znacznie poprawia dokładność, jednocześnie zmniejszając całkowity koszt i zużycie energii. Nasza architektura pomiaru przepływu wykorzystuje wysokowydajną konstrukcję analogową, zaawansowane algorytmy i wbudowane przetwarzanie, aby zmniejszyć potrzebę stosowania drogiej pary przetworników ultradźwiękowych. Analogowe algorytmy front-end i przetwarzania sygnału kompensują niedopasowanie przetwornika.
Liczy się każda kropla
Typowy przepływomierz ultradźwiękowy przesyła falę ultradźwiękową i mierzy różnicowe opóźnienie w odbiorniku w celu oszacowania natężenia przepływu. Pomiary opóźnienia są zwykle obsługiwane przez obwód przetwornika czasu na sygnał cyfrowy, który monitoruje przejście przez zero odbieranego przebiegu. Wyzwanie związane z typowym podejściem polega na tym, że nie jest ono wystarczająco czułe, aby wykrywać poziomy przepływu z dużą dokładnością.
W naszej architekturze wdrażamy inteligentny analogowy front-end wyposażony w wysokowydajny przetwornik analogowo-cyfrowy, który poprawia jakość sygnału do szumu i eliminuje niedokładności kalibracji. Takie podejście ma kilka zalet:
- Może osiągnąć wyższą dokładność, zmniejszając zakłócenia i poprawiając stosunek sygnału do szumu.
- Architektura może mierzyć szeroki zakres dynamiki przepływu, od węża pożarowego po mały wyciek.
- Używając sterownika o niższym napięciu, znacznie oszczędza energię i koszty. Średni prąd dla jednego pomiaru na sekundę jest mniejszy niż 3 mikroamperów. Przekłada się to na żywotność baterii ponad 15 lat.
- Może wykrywać turbulencje, pęcherzyki i inne anomalie przepływu, co jest ważne przy analizie przepływu i serwisowaniu rurociągów.
- Technologia ta jest odporna na zmiany amplitudy w dwóch kierunkach przepływu, które mogą wystąpić w wodzie i gazie przy wyższych natężeniach przepływu.
Wiele innych technologii TI ma kluczowe znaczenie dla wysokowydajnych przepływomierzy. Mikrokontroler małej mocy ze zintegrowanym przetwornikiem ultradźwiękowym analogowym, wysokowydajnym zegarem odniesienia, zarządzaniem mocą prądu spoczynkowego o niskiej mocy i ultra-dokładnym dopasowaniem impedancji torów sterownika nadawczego i wzmacniacza odbiorczego to przykłady dodatkowych technologii różnicujących w tych przepływomierzach.
Razem te technologie mogą pomóc chronić jeden z naszych najcenniejszych zasobów.