Slik bruker du ultralydsensorer i smarte vannmålere

Utvidelse og forbedring av smart vannmåling er et viktig element innen effektiv vannstyring. Måling bidrar til å identifisere og lokalisere lekkasjer i vanndistribusjonssystemer og kan hjelpe brukere med å forbedre vannbesparelsen under tørke eller andre begrensninger i vannforsyningen. Teknologien for ultralydstrømningsmålere opplever økt bruk i industrielle, kommersielle og boligrelaterte miljøer. Disse målerne gir flere fordeler sammenlignet med tradisjonelle mekaniske vannmålere: Det er ingen bevegelige deler, noe som minimerer vedlikehold og maksimerer pålitelighet, de har lavt strømforbruk og et batteri kan vare i mange år, de tilbyr høy nøyaktighet og de kan konstrueres slik at de støtter toveis-målinger.

Denne artikkelen beskriver driften og integreringen av ultralydstrømningssensorer i smarte vannmålere og gir en kort gjennomgang av internasjonale standarder for nøyaktigheten til målere i boliger. Deretter presenterer den eksempler på komponenter som er egnet for bruk i disse målerne, for eksempel en ultralydsensorsammenstilling fra Audiowell, analog inngang (AFE – analog front end) og tid-til-digital-omformer-IC-er (TDC – time-to-digital converter), pluss en mikrokontroller (MCU) og et evalueringskort fra Texas Instruments, samt støttekomponenter, for eksempel en RF-transceiver med sikker oppstart fra Silicon Labs, og et primærbatteri fra Tadiran med lang levetid. Den avslutter så med noen forslag for å forbedre nøyaktigheten til ultralydstrømningsmåleren.

En typisk ultralydstrømningsmåler for transporttid inkluderer to piezoelektriske transdusere som genererer to serier ultralydpulser sendt i motsatte retninger gjennom det strømmende vannet. Flyvetidsforskjellen (ToF – time-of-flight) mellom nedstrøms- og oppstrømspulsene brukes til å måle strømningshastigheten til vannet. Andre blokkoblinger inkluderer (figur 1):

• Et akustisk speil for hver av de piezoelektriske transduserne
• En transport-ToF-IC, som ofte består av to IC-er, en analog inngang som lar seg kombinere med transdusere og en separat stoppeklokke som er nøyaktig ned til ett pikosekund til å måle ToF
• En mikrokontroller for å beregne strømningen og forbindelsen til kommunikasjons-IC-en og et valgfritt display
• Et batteri med lang levetid eller en annen strømkilde (ikke vist)

Figur 1: To serier ultralydpulser som sendes i motsatte retninger. Flyvetidsforskjellen (ToF – time-of-flight) mellom nedstrømspulsen (blå) og oppstrømspulsen (rød) brukes til å måle strømningshastigheten til vannet. (Bildekilde: Audiowell)

I begynnelsen av hver ultralydpuls genereres et «start»-signal for å markere begynnelsen på ToF-målingen. Når pulsen når frem til mottakeren genereres et «stopp»-signal, og intervallet mellom «start» og «stopp» brukes til å fastsette flyvetiden (ToF) basert på en stoppeklokkefunksjon. Når det ikke strømmer noe vann, vil målingene for transporttid være identiske. Under normale strømningsforhold vil oppstrømsbølgen bevege seg langsommere enn nedstrømsbølgen. Hvis vannet strømmer i motsatt retning, vil bevegelseshastighetene til bølgen være motsatte relativt til sensorene.

Standarder for nøyaktigheten til målere i boliger

Strømningsmålere beregnet for bruk i boliger skal være konstruert slik at de oppfyller ulike standarder. For eksempel er de metrologiske kravene til maksimalt tillatte feil (MPE – maximum permissible error) for vannmålere definert av Den internasjonale organisasjon for lovmessig metrologi (OIML – International Organization of Legal Metrology) av en serie verdier kalt Q1, Q2, Q3 og Q4 (tabell 1).

Tabell 1: OIML-standardene til MPE-er for vannmålere i boliger, er basert på en serie med fire strømningshastighetssoner. (Tabellkilde: Texas Instruments)

Den numeriske verdien for Q3 spesifiserer en vannmåler i kubikkmeter per time (m³/t) og forholdet Q3/Q1. Verdien til Q3 og forholdet Q3/Q1 finnes i lister som er inkludert i OIML-standardene. Vannmålere er definert som klasse 1 eller klasse 2, basert på MPE-er:

• Klasse 1-målere
  • MPE for den nedre strømningshastighetssonen, mellom Q1 og Q2, er ±3 %, uavhengig av temperaturen.
  • MPE for den øvre strømningshastighetssonen, mellom Q2 og Q4, er ±1 % for temperaturer fra 0,1 til 30 °C, og ±2 % for temperaturer over 30 °C.
• Klasse 2-målere
  • MPE for den nedre strømningshastighetssonen er ±5 %, uavhengig av temperaturen.
  • MPE for den øvre strømningshastighetssonen er ±2 % for temperaturer fra 0,1 til 30 °C, og ±3 % for temperaturer over 30 °C.

Ultralydstrømningsrør for kaldt vann

HS0014-000-ultralydstrømningssensoren fra Audiowell består av et par ultralydstrømningstransdusere og tilknyttede reflektorer i et DN15-polymerrør som konstruktører kan bruke i smarte ToF-vannmålere (figur 2). Den har lavtrykkstap, høy pålitelighet og ±2,5 % nøyaktighet. Den er klassifisert for drift fra 0,1 til 50 °C og fungerer med en maksimal inngang på 5 volt spiss-til-spiss ved 1 MHz, og den er konstruert for bruk i boliger i klasse 2-konstruksjoner, i henhold til OIML-standardene.

Figur 2: HS0014-000-ultralydstrømningssensoren inkluderer et par ultralydstrømningstransdusere i et polymerrør. (Bildekilde: Audiowell)

Texas Instruments (TI) tilbyr en trio av IC-er som konstruktører kan bruke med HS0014-000 i ultralyd-ToF-vannmålere. TDC1000 er en fullt integrert AFE for deteksjonsmålinger med ultralyd. Den er programmerbar og kan konfigureres for flere sendepulser, frekvenser, signalterskel og forsterkning som er egnet for transdusere som opererer fra 31,25 kilohertz (kHz) til 4 megahertz (MHz), med varierende kvalitetsfaktorer (Q-faktorer). TDC1000 har driftsmoduser med lavt strømforbruk som er egnet for konstruksjoner med batteridrevne smarte ultralyd-ToF-strømningsmålere.

Figur 3: TDC1000 er en fullt integrert AFE som kan kombineres med HS0014-000 i konstruksjoner med smarte ToF-vannmålere. (Bildekilde: Texas Instruments)

Den andre IC-en fra TI er TDC7200, en TDC og stoppeklokke som er nøyaktig ned til ett pikosekund (figur 4). Denne enheten har intern selvkalibrert tidsbasis som muliggjør konverteringsnøyaktighet ned til ett pikosekund, og den støtter nøyaktige målinger av tilstander med lav eller ingen strømning. I tillegg kan den autonome gjennomsnittsmodusen med flere sykluser brukes slik at vertsmikrokontrolleren kan gå inn i dvalemodus for å spare strøm, og mikrokontrolleren våkner bare når målesekvensen har blitt fullført av TDC7200.

Figur 4: TDC7200 TDC-en og stoppeklokken som er nøyaktig ned til ett pikosekund, er konstruert for å fungere med TDC1000 AFE-en. (Bildekilde: Texas Instruments)

TI tilbyr også MSP430FR6047, en mikrokontroller med ultralavt strømforbruk, som har en integrert analog inngang med ultralyddeteksjon for å gi nøyaktige målinger. Denne enheten inkluderer en lavenergiakselerator for signalbehandling, noe som gjør det mulig for konstruktører å optimalisere strømforbruket for å forlenge batterilevetiden. MSP430FR600x-mikrokontrollerne integrerer også ulikt periferiutstyr som er nyttig for konstruksjoner med smartmåling, deriblant:

• LCD-driver
• Sanntidsklokke (RTC – real time clock)
• 12-bits suksessivt approksimasjonsregister (SAR) analog-til-digital-omformer (ADC)
• Analog komparator
• Krypteringsakselerator for AES256
• En modul for syklisk redundanskontroll (CRC – cyclic redundancy check)

Evalueringskort (EVB) for ultralydmåler

For å fremskynde utviklingsprosessen og redusere tiden det tar å få det endelige produktet ut på markedet, kan konstruktører bruke EVM430-FR6047 til å evaluere ytelsen til MSP430FR6047-mikrokontrollere for ultralyddeteksjon i smarte vannmålere (figur 5). Evalueringsmodulen (EVM) støtter en rekke transdusere, som spenner fra 50 kHz til 2,5 MHz, og inkluderer en integrert LCD-skjerm som viser målinger og kontakter som trengs for å integrere RF-kommunikasjonsmoduler.

Figur 5: EVM430-FR6047 kan brukes til å evaluere ytelsen til MSP430FR6047 i ultralyd-ToF-deteksjon i vannmålere. (Bildekilde: Texas Instruments)

Støttekomponenter

EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Serie 2 trådløse SoC-er fra Silicon Laboratories, er en løsning med enkelplate (single-die) som kombinerer en 38,4 MHz Cortex-M33 med en høyytelses 2,4 gigahertz (GHz) radio, samt integrerte sikkerhetsfunksjoner som gir rask kryptering, sikker oppstartslasting og feilsøkingstilgangskontroll (figur 6). Denne enheten har opptil 6 desibelmeter (dBm) maksimal effekt og en mottaksfølsomhet på –102,1 (250 kb/s OQPSK) dBm. EFR32FG22C121F512GM32 kombinerer ultralav sende- og mottakseffekt (8,2 milliampere (mA) overføring ved +6 dBm, 3,6 mA mottak), 1,2 mikroampere (µA) i dyp dvalemodus og gir en robust radiofrekvensforbindelse (RF-forbindelse) for pålitelig kommunikasjon og høy energieffektivitet for smarte målere og lignende konstruksjoner.

Figur 6: EFR32FG22 Serie 2 trådløse SoC-er inkluderer en 38,4 MHz ARM Cortex-M33-kjerne med rask kryptering og sikre funksjoner for oppstartslasting. (Bildekilde: DigiKey)

Litiumtionylklorid-batterier (LiSOCl2) av spoletypen (bobbin), for eksempel TL-5920/T med loddefliker (figur 7) og TL-5920/S med standardforbindelser fra Tadiran, er spesielt godt egnet for bruk i smartmålere for vann, gass og elektrisitet. Disse primærbatteriene har en nominell kapasitet på 8,5 amperetimer (Ah) når de lades ut med en hastighet på 3 mA ved en terminalspenning (V) på 2 V, en nominell spenning på 3,6 V, en maksimal kontinuerlig strømstyrke på 230 mA, en maksimal nominell pulsstrømstyrke på 400 mA og et driftstemperaturområde på –55 til +85 °C. Disse batteriene kan vare 20 til 30 år – like lenge som måleren – uten å trenge dyre batteriutskiftninger.

Figur 7: LiSOCl2-batterier som TL-5920/T kan vare i opptil 30 år og er godt egnet for smarte målerkonstruksjoner. (Bildekilde: DigiKey)

Forbedre nøyaktigheten

Kompensasjonteknikker, kalibrering og impedanstilpasningsteknikker kan brukes til å forbedre nøyaktigheten til ultralyd-ToF-vannmålere:

• Målenøyaktigheten i ultralyd-ToF-målere er begrenset av hvor konstant lydhastigheten er, samt nøyaktigheten til elektronikken som utfører signalbehandlingen. Lydhastigheten kan variere med tetthet og temperatur. Kompensasjon bør legges til for å kalibrere og justere i henhold til endringer i lydhastigheten og enhver variasjon i signalbehandlingskretsene.

• Ultralyd-ToF-målere kommer vanligvis tørrkalibrert fra fabrikken. Kalibreringsparametere kan omfatte tidsforsinkelser på grunn av transdusere, elektronikk og kabler, all nødvendig ΔToF-forskyvningskorreksjon for hver akustisk bane og konstruksjonsavhengige geometriske parametere. Fabrikkalibrering kan forbedre nøyaktigheten under tilstander med liten eller ingen strømning, og skal ikke påvirke nøyaktigheten under tilstander med høy strømningshastighet.

• Et svært symmetrisk par med signalbaner for sending og mottak er nødvendig for å minimere eller eliminere ΔToF-forskyvning under statiske strømningstilstander. En løsning for impedanstilpasning kan brukes til å styre impedansene til hver bane. Dette forenkler ΔToF-kalibreringen og resulterer i svært liten feilvandring ved nullstrøm over driftstrykket og temperaturområdene, selv om transduserne ikke samsvarer perfekt med hverandre.

Sammendrag

Smarte ultralyd-ToF-vannmålere ser økende markedsandel i boligrelaterte, industrielle og kommersielle konstruksjoner for å bidra til å identifisere og lokalisere lekkasjer i vanndistribusjonssystemer og gi brukere informasjonen de trenger for å forbedre konversasjonen rundt vann. Piezoelektriske transdusere brukes til å generere to serier med ultralydpulser som sendes i motsatte retninger gjennom det strømmende vannet. ToF-forskjellen mellom nedstrømspulsen og oppstrømspulsen brukes til å måle strømningshastigheten til vannet, og kan støtte toveis strømningsmålinger. Disse målerne har ingen bevegelige deler, noe som gjør dem svært pålitelige og energieffektive. OIML har fastsatt internasjonale standarder for klassifisering av MPE-nivåer for vannmålere. Kompensasjonsteknikker, kalibrering og impedanstilpasningsteknikker kan brukes til å forbedre nøyaktigheten til disse målerne.