Wykorzystanie pomiaru ultradźwiękowego w wodomierzach inteligentnych

Coraz szersze wykorzystanie oraz doskonalenie inteligentnych urządzeń do pomiaru wody stanowi istotny element skutecznej gospodarki wodnej. Liczniki pomagają w wykrywaniu i lokalizowaniu wycieków w instalacjach wodociągowych oraz mogą ułatwić użytkownikom oszczędzanie wody podczas suszy czy innych okoliczności wymuszających ograniczenie zużycia wody. Przepływomierze ultradźwiękowe są coraz szerzej stosowane w budynkach przemysłowych, komercyjnych i mieszkaniowych. Tego typu liczniki oferują kilka korzyści w porównaniu z tradycyjnymi wodomierzami mechanicznymi: brak ruchomych części, czyli minimalizacja potrzeb w zakresie konserwacji i maksymalizacja niezawodności, niska moc pozwalająca na działanie baterii przez wiele lat, techniczna możliwość wykonywania pomiarów w obu kierunkach.

W niniejszym artykule opisano sposób działania i integracji ultradźwiękowych czujników przepływu w wodomierzach inteligentnych oraz przedstawiono krótki przegląd norm dokładności liczników mieszkaniowych. W dalszej kolejności zaprezentowano przykłady komponentów, które mogą być używane w takich licznikach, m.in. zespół czujnika ultradźwiękowego firmy Audiowell, analogowy układ front-end (AFE), układy scalone przetwornika czasowo-cyfrowego (TDC) oraz mikrokontroler MCU i płytka ewaluacyjna firmy Texas Instruments, a także komponenty „pomocnicze”, w tym nadajniko-odbiornik częstotliwości radiowych (RF) z bezpiecznym uruchamianiem firmy Silicon Labs, a także bateria pierwotna o długim okresie użytkowania firmy Tadiran. Na zakończenie przedstawiono kilka sugestii dotyczących poprawy dokładności przepływomierza ultradźwiękowego.

Typowy przepływomierz ultradźwiękowy wykorzystujący metodę pomiaru różnicy czasu przejścia fali zawiera dwa przetworniki piezoelektryczne generujące dwie serie impulsów ultradźwiękowych wysyłanych w przeciwnych kierunkach przez przepływającą wodę. Do pomiaru natężenia przepływu wody wykorzystuje się różnicę czasu przelotu (ToF) impulsów w kierunku zgodnym z przepływem i przeciwnym. Pozostałe bloki funkcyjne to (ilustracja 1):

• Zwierciadło akustyczne dla każdego z przetworników piezoelektrycznych
• Układ scalony do pomiaru czasu przelotu (ToF), często składający się z dwóch układów scalonych, analogowego układu front-end, który współpracuje z przetwornikami, oraz oddzielnego stopera o dokładności pikosekundowej do pomiaru czasu przelotu (ToF)
• Mikrokontroler do obliczania przepływu i złącze do komunikacji z układem scalonym oraz opcjonalny wyświetlacz
• Bateria o długim czasie pracy lub inne źródło zasilania (nie ukazano)

Ilustracja 1: dwie serie impulsów ultradźwiękowych są wysyłane w przeciwnych kierunkach. Do pomiaru natężenia przepływu wody wykorzystuje się różnicę czasu przelotu (ToF) impulsów w kierunku zgodnym z przepływem (kolor niebieski) i przeciwnym (kolor czerwony). (Źródło ilustracji: Audiowell)

Na początku każdego impulsu ultradźwiękowego generowany jest sygnał „start” wskazujący początek pomiaru czasu przelotu (ToF). Gdy impuls dotrze do odbiornika, generowany jest sygnał „stop”, a odstęp między sygnałem „start” i „stop” jest wykorzystywany przez stoper do określenia czas przelotu (ToF). Gdy woda nie przepływa, pomiary czasu przelotu będą identyczne. W normalnych warunkach przepływu fala wygenerowana w kierunku przeciwnym do przepływu będzie się przemieszczać wolniej niż ta zgodna z przepływem. Jeśli woda przepływa w kierunku odwrotnym, prędkości przemieszczania się fali zostaną odwrócone względem czujników.

Normy dokładności liczników mieszkaniowych

Przepływomierze przeznaczone do zastosowań domowych muszą być zaprojektowane zgodnie z różnymi normami. Na przykład wymagania metrologiczne dotyczące maksymalnego dopuszczalnego błędu (MDB) dla wodomierzy są określone przez Międzynarodową Organizację Metrologii Prawnej (OIML) za pomocą szeregu wartości, takich jak Q1, Q2, Q3 i Q4 (tabela 1).

Tabela 1: normy Międzynarodowej Organizacji Metrologii Prawnej (OIML) dla maksymalnych dopuszczalnych błędów (MDB) wodomierzy mieszkaniowych opierają się na czterech strefach natężenia przepływu. (Źródło tabeli: Texas Instruments)

Wartość liczbowa Q3 oznacza pomiar wody w metrach sześciennych na godzinę (m³/h) i stosunek Q3/Q1. Wartość Q3 i stosunek Q3/Q1 znajdują się na listach w normach OIML. Wodomierze zalicza się do klasy 1 lub 2 na podstawie maksymalnych dopuszczalnych błędów (MDB):

• Liczniki klasy 1
  • MDB dla strefy dolnej natężenia przepływu, pomiędzy Q1 i Q2, wynosi ±3%, niezależnie od temperatury.
  • MDB dla strefy górnej natężenia przepływu, pomiędzy Q2 i Q4, wynosi ±1% dla temperatur od 0,1 do +30°C oraz ±2% dla temperatur powyżej +30°C.
• Liczniki klasy 2
  • MDB dla strefy dolnej natężenia przepływu wynosi ±5%, niezależnie od temperatury.
  • MDB dla strefy górnej natężenia przepływu wynosi ±2% dla temperatur od 0,1 do +30°C oraz ±3% dla temperatur powyżej +30°C.

Ultradźwiękowy rurowy przewód przepływowy wody zimnej

Ultradźwiękowy czujnik przepływu HS0014-000 firmy Audiowell posiada parę ultradźwiękowych przetworników przepływu i odpowiadające im reflektory w polimerowym rurowym przewodzie przepływowym DN15, który projektanci mogą wykorzystać w wodomierzach inteligentnych ToF (ilustracja 2). Charakteryzuje się on niskim spadkiem ciśnienia, wysoką niezawodnością i dokładnością ±2,5%. Jest przeznaczony do pracy w temperaturach od 0,1 do +50°C i działa przy maksymalnym międzyszczytowym napięciu wejściowym 5V i częstotliwości 1MHz, a także jest przeznaczony do użytku w zastosowaniach mieszkaniowych klasy 2 według norm OIML.

Ilustracja 2: ultradźwiękowy czujnik przepływu HS0014-000 posiada parę ultradźwiękowych przetworników przepływu umieszczonych w polimerowym przewodzie rurowym. (Źródło ilustracji: Audiowell)

Firma Texas Instruments (TI) oferuje trzy układy scalone, które projektanci mogą wykorzystać łącznie z czujnikiem HS0014–000 w ultradźwiękowych wodomierzach ToF. TDC1000 to w pełni zintegrowany analogowy układ front-end (AFE) do pomiarów ultradźwiękowych. Daje on możliwość programowania i konfigurowania pod kątem wielu impulsów, częstotliwości, wartości progowych sygnałów i wzmocnienia w celu dostosowania go do różnych przetworników pracujących w zakresie częstotliwości od 31,25kHz do 4MHz ze zmiennymi współczynnikami jakości (Q). Analogowy układ front-end TDC1000 posiada tryby pracy niskiej mocy odpowiednie dla zasilanych bateryjnie inteligentnych ultradźwiękowych przepływomierzy ToF.

Ilustracja 3: w pełni zintegrowany analogowy układ front-end TDC1000 można stosować w połączeniu z czujnikiem HS0014–000 w projektach wodomierzy inteligentnych ToF. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Drugim układem scalonym firmy TI jest przetwornik czasowo-cyfrowy ze stoperem o dokładności pikosekundowej TDC7200 (ilustracja 4). To urządzenie posiada wewnętrzną, samokalibrującą się podstawę czasową, która zapewnia pikosekundową dokładność konwersji i gwarantuje dokładne pomiary w warunkach niskiego i zerowego przepływu. Ponadto dla oszczędności energii można użyć autonomicznego trybu uśredniania wielocyklowego, aby umożliwić głównemu mikrokontrolerowi MCU przejście w tryb uśpienia, z którego będzie się wybudzać dopiero po zakończeniu sekwencji pomiarów przez układ TDC7200.

Ilustracja 4: przetwornik czasowo-cyfrowy TDC7200 i stoper o dokładności pikosekundowej są przeznaczone do współpracy z analogowym układem front-end (AFE) TDC1000. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Firma TI oferuje także mikrokontroler MCU MSP430FR6047 ultraniskiej mocy z wbudowanym analogowym układem front-end do precyzyjnego i dokładnego pomiaru ultradźwiękowego. Urządzenie to zawiera akcelerator o niskim poborze energii do przetwarzania sygnałów, który umożliwia projektantom optymalizację poboru mocy w celu wydłużenia czasu pracy baterii. Mikrokontrolery MCU MSP430FR600x zawierają także kilka urządzeń peryferyjnych przydatnych w projektach inteligentnych liczników, takich jak:

• Sterownik LCD
• Zegar czasu rzeczywistego (RTC)
• Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) z 12-bitowym, rejestrem sukcesywnej aproksymacji (SAR)
• Komparator analogowy
• Akcelerator szyfrowania dla AES256
• Moduł cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC)

Licznik ultradźwiękowy EVB

Aby przyspieszyć proces projektowania i skrócić czas wprowadzania produktów na rynek, projektanci mogą wykorzystać moduły ewaluacyjne EVM430-FR6047 do oceny wydajności mikrokontrolerów MCU MSP430FR6047 do pomiarów ultradźwiękowych w wodomierzach inteligentnych (ilustracja 5). Moduł ewaluacyjny (EVM) obsługuje różne przetworniki o częstotliwościach od 50kHz do 2,5MHz i ma wbudowany wyświetlacz LCD wskazujący pomiary oraz złącza do podłączania modułów komunikacji radiowej.

Ilustracja 5: moduł ewaluacyjny EVM430-FR6047 może służyć do oceny parametrów działania układu MSP430FR6047 w ultradźwiękowych pomiarach ToF w wodomierzach. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Komponenty pomocnicze

Bezprzewodowe układy SoC EFR32FG22 EFR32FG22C121F512GM32 z serii 2 firmy Silicon Laboratories to jednostrukturowe rozwiązanie, które łączy rdzeń Cortex-M33 38,4MHz z wydajnym modułem radiowym o częstotliwości 2,4GHz i zintegrowanymi funkcjami zabezpieczeń zapewniającymi szybkie szyfrowanie, bezpieczne uruchamianie i ładowanie oraz kontrolę dostępu na potrzeby debugowania (ilustracja 6). Maksymalna moc wyjściowa urządzenia wynosi 6dBm, a jego czułość odbioru -102,1dBm (250kbit/s OQPSK). Urządzenie EFR32FG22C121F512GM32 charakteryzuje się ultraniską mocą nadawania i odbioru (nadawanie 8,2mA przy +6dBm, odbiór 3,6mA), poborem mocy na poziomie 1,2µA w trybie głębokiego uśpienia oraz stanowi solidne łącze do częstotliwości radiowych (RF) zapewniające niezawodną komunikację i wysoką sprawność energetyczną inteligentnych liczników i podobnych urządzeń.

Ilustracja 6: bezprzewodowe układy SoC EFR32FG22 z serii 2 zawierają rdzeń ARM Cortex-M33 o częstotliwości 38,4MHz z szybkim szyfrowaniem oraz funkcjami bezpiecznego uruchamiania i ładowania. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Baryłkowe baterie litowo-chlorkowo-tionylowe (LiSOCl2) typu TL-5920/T z końcówkami lutowniczymi (ilustracja 7) oraz TL-5920/S ze standardowymi połączeniami firmy Tadiran nadają się szczególnie dobrze do użycia w inteligentnych licznikach energii, wody i gazu. Wspomniane baterie pierwotne mają nominalną pojemność 8,5Ah przy rozładowaniu prądem 3mA do napięcia na zaciskach 2V, napięcie znamionowe 3,6V, maksymalny ciągły prąd znamionowy 230mA, maksymalny impulsowy prąd znamionowy 400mA, oraz zakres temperatur roboczych od -55 do +85°C. Omawiane baterie mogą pracować nawet 20 do 30 lat - przez cały okres użytkowania licznika - bez konieczności kosztownej wymiany.

Ilustracja 7: baterie LiSOCl2 typu TL-5920/T mogą pracować nawet 30 lat i doskonale nadają się do stosowania w licznikach inteligentnych. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Poprawa dokładności

W celu zwiększenia dokładności wodomierzy ultradźwiękowych ToF można zastosować techniki kompensacji, kalibracji i dopasowania impedancji:

• Dokładność pomiaru w ultradźwiękowych licznikach ToF jest ograniczona przez stopień niezmienności prędkości dźwięku, a także dokładność elektroniki stosowanej do przetwarzania sygnału. Prędkość dźwięku może się różnić w zależności od gęstości i temperatury ośrodka. Podczas przeprowadzania kalibracji i w celu uwzględnienia zmian prędkości dźwięku oraz wszelkich zmian w obwodach przetwarzania sygnału należy zastosować kompensację.

• Ultradźwiękowe liczniki działające na zasadzie pomiaru czasu przelotu (ToF) są zwykle fabrycznie skalibrowane na sucho. Kalibrowanymi parametrami mogą być opóźnienia czasowe spowodowane przez przetworniki, układy elektroniczne i kable, wszelkie wymagane korekty przesunięcia wartości ΔToF dla każdej ścieżki akustycznej oraz zależne od projektu parametry geometryczne. W warunkach niskiego i zerowego przepływu dokładność może poprawić kalibracja fabryczna. Nie powinna ona wpływać na dokładność pomiarów w warunkach wysokiego natężenia przepływu.

• W celu zminimalizowania lub wyeliminowania przesunięcia wartości ΔToF w warunkach przepływu statycznego potrzebna jest wysoce symetryczna para ścieżek sygnałowych nadawania i odbioru. W celu regulacji impedancji każdej ścieżki można użyć rozwiązania dopasowywania impedancji. Upraszcza to kalibrację ΔToF i skutkuje bardzo małym dryftem błędu przy zerowym przepływie w roboczych zakresach ciśnienia i temperatury, nawet jeśli przetworniki nie są dopasowane idealnie.

Podsumowanie

Ultradźwiękowe wodomierze inteligentne ToF są coraz częściej wybieranymi urządzeniami do zastosowań mieszkaniowych, przemysłowych i komercyjnych ze względu na wynikające z nich ułatwienia w wykrywaniu i lokalizacji wycieków w instalacjach wodociągowych oraz na dostarczanie użytkownikom informacji potrzebnych do ograniczenia zużycia wody. Przetworniki piezoelektryczne służą do generowania dwóch serii impulsów ultradźwiękowych, które są wysyłane w przeciwnych kierunkach przez przepływającą wodę. Różnica w czasie przelotu (ToF) między impulsami w jednym i drugim kierunku służy do pomiaru natężenia przepływu wody i pozwala również na dwukierunkowy pomiar przepływu. Omawiane liczniki nie posiadają ruchomych części, dzięki czemu są niezawodne i energooszczędne. Międzynarodowa Organizacja Metrologii Prawnej (OIML) ustanowiła międzynarodowe normy klasyfikacji poziomów maksymalnych dopuszczalnych błędów (MDB) wodomierzy. W celu zwiększenia dokładności omawianych liczników można zastosować techniki kompensacji, kalibracji i dopasowania impedancji.