Hur man använder ultraljudsavkänning i smarta vattenmätare

Att utöka och förbättra smarta vattenmätare är en viktig del i en effektiv vattenhantering. Mätning gör det lättare att identifiera och lokalisera läckor i vattendistributionssystem och kan hjälpa användare att spara vatten vid torka eller andra begränsningar i vattentillgången. Tekniken för flödesmätare med ultraljud används allt oftare i bostäder samt i industriella och kommersiella miljöer. Mätarna har flera fördelar jämfört med traditionella mekaniska vattenmätare: de har inga rörliga delar, vilket minimerar underhåll och maximerar tillförlitligheten, de har låg strömförbrukning och ett batteri kan räcka i många år, de har hög noggrannhet och kan konstrueras för att stödja dubbelriktade mätningar.

Artikeln beskriver hur flödessensorer med ultraljud fungerar och hur de integreras i smarta vattenmätare, samt en kort genomgång av de internationella standarderna för mätnoggrannhet i bostäder. Därefter presenteras exempel på komponenter som lämpar sig för användning i dessa mätare, bland annat en ultraljudssensor från Audiowell, kretsar för analog front end (AFE) och tid-till-digitalomvandling (TDC) samt en microcontroller (MCU) och ett utvärderingskort från Texas Instruments. "Kringkomponenter", bland annat en RF-transceiver med säker uppstart från Silicon Labs, och ett primärbatteri med lång livslängd från Tadiran. Den avslutas med några förslag på förbättring av noggrannheten hos ultraljudsflödesmätare.

En typisk ultraljudsflödesmätare som mäter transporttid innehåller två piezoelektriska omvandlare för att generera två uppsättningar ultraljudspulser som skickas i motsatt riktning genom vattenflödet. Skillnaden i transporttid (ToF eller transporttid) mellan pulserna nedströms och uppströms används för att mäta vattnets flödeshastighet. Andra funktionsblock inkluderar (figur 1):

• En akustisk spegel för respektive piezoelektrisk omvandlare.
• En krets för transporttid, som ofta består av två kretsar, en analog front end som gränssnitt till omvandlarna och ett separat stoppur med picosekundsprecision för att mäta transporttiden.
• En microcontroller för att beräkna flödet och länka det till kommunikationskretsen och en display om sådan finns.
• Ett batteri med lång livslängd eller annan strömkälla (visas ej).

Figur 1: Två uppsättningar ultraljudspulser skickas i motsatt riktning. Skillnaden i transporttid mellan pulserna nedströms (blå) och uppströms (röd) används för att mäta vattnets flödeshastighet. (Bildkälla: Audiowell)

I början av varje ultraljudspuls genereras en "startsignal" för att markera starten av transporttidsmätningen. När pulsen når mottagaren genereras en "stoppsignal", och intervallet mellan start och stopp används för att konstatera transporttiden med hjälp av en stoppursfunktion. När inget vatten flödar kommer mätningarna av transporttiden att vara identiska. Vid normala flödesförhållanden kommer vågen uppströms att färdas långsammare än vågen nedströms. Om vattnet flöder i motsatt riktning kommer vågornas transporthastigheter att vara omvända i förhållande till sensorerna.

Standarder för mätnoggrannhet i bostäder

Flödesmätare som är avsedda för bostäder måste konstrueras för att uppfylla olika standarder. De metrologiska kraven för högsta tillåtna fel i vattenmätare definieras exempelvis av International Organization of Legal Metrologi (OIML) genom en serie värden som kallas för Q1, Q2, Q3 och Q4 (tabell 1).

Tabell 1: OIML-standardens högsta tillåtna fel för vattenmätare i bostäder, baseras på fyra flödeshastighetsområden. (Tabellkälla: Texas Instruments)

Det numeriska värdet Q3 anger en vattenmätare i kubikmeter per timme (m³/h) och förhållandet Q3/Q1. Värdet av Q3 och förhållandet Q3/Q1 finns i listor som ingår i OIML-standarden. Vattenmätare definieras som klass 1 eller klass 2 utifrån högsta tillåtna fel:

• Mätare i klass 1
  • Det högsta tillåtna felet för området med lägre flödeshastighet, mellan Q1 och Q2, är ±3 %, oavsett temperatur.
  • Det högsta tillåtna felet för områden med högre flödeshastighet, mellan Q2 och Q4, är ±1 % för temperaturer från 0,1 till +30 °C och ±2 % för temperaturer över +30 °C.
• Mätare i klass 2
  • Det högsta tillåtna felet för området med lägre flödeshastighet är ±5 %, oavsett temperatur.
  • Det högsta tillåtna felet för områden med högre flödeshastighet är ±2 % för temperaturer från 0,1 till +30 °C och ±3 % för temperaturer över +30 °C.

Ultraljudsflödesrör för kallvatten

Ultraljudsflödessensorn HS0014-000 från Audiowell består av ett par ultraljudsflödesomvandlare och motsvarande reflektorer i ett DN15-polymerrör som konstruktörer kan använda i smarta vattenmätare med transporttidsmätning (figur 2). Den har låg tryckförlust, hög tillförlitlighet och en noggrannhet på ±2,5 %. Den är avsedd för drift från 0,1 till +50 °C och fungerar med en maximal inspänning på 5 V topp till topp vid 1 MHz och är konstruerad för användning i bostäder av klass 2 enligt OIML-standarden.

Figur 2: Ultraljudssensorn HS0014-000 för flödesmätning består av ett par ultraljudsflödessensorer i ett polymerrör. (Bildkälla: Audiowell)

Texas Instruments (TI) erbjuder en trio kretsar som konstruktörer kan använda tillsammans med HS0014-000 i vattenmätare som mäter transportid med ultraljud. TDC1000 är en fullt integrerad analog front end för ultraljudsmätningar. Den är programmerbar och kan ställas in för flera sändningsimpulser, frekvenser, signalgränsvärden och förstärkningar som passar för sensorer som arbetar från 31,25 kHz till 4 MHz, med varierande kvalitetsfaktorer (Q). TDC1000 har driftlägen med låg strömförbrukning som är lämpliga för batteridrivna smarta ultraljudsflödesmätare som mäter transporttid.

Figur 3: TDC1000 är en fullt integrerad analog front end som kan kombineras med HS0014-000 i smarta vattenmätare som mäter transporttid. (Bildkälla: Texas Instruments)

Den andra kretsen från TI är TDC7200, en tid-till-digitalomvandlare och stoppur med picosekundsprecision (figur 4). Enheten har en intern självkalibrerad tidsbas som möjliggör omvandling med picosekundsprecision med stöd för noggranna mätningar vid låga flöden eller inget flöde. Det autonoma läget för genomsnittsberäkning med flera cykler kan användas för att låta värd-MCU:n gå in i viloläge för att spara ström, och MCU:n vaknar först när mätsekvensen har slutförts av TDC7200.

Figur 4: Tid-till-digitalomvandlaren och stoppuret med picosekundsprecision TDC7200 är konstruerade för att arbeta tillsammans med den analoga front enden TDC1000. (Bildkälla: Texas Instruments)

TI erbjuder även MSP430FR6047, en MCU med extremt låg strömförbrukning och en integrerad analog front end med ultraljudsavkänning för exakta och noggranna mätningar. Enheten innehåller en lågenergiaccelerator för signalbehandling, vilket gör det möjligt för konstruktörer att optimera strömförbrukningen för att förlänga batteritiden. MCU:erna MSP430FR600x har även integrerad periferiutrustning som är användbar i smarta mätare, inklusive:

• Drivkrets för LCD
• Realtidsklocka (RTC)
• Analog-till-digitalomvandlare (ADC) med 12-bitars SAR-register (successive-approximation-register).
• Analog komparator
• Krypteringsaccelerator för AES256
• En modul för CRC-kontroll (cyklisk redundanskontroll).

Utvärderingskort för ultraljudsmätare

För att påskynda utvecklingsprocessen och minska tiden till marknaden kan konstruktörer använda EVM430-FR6047 för att utvärdera prestandan hos MCU:erna MSP430FR6047 för ultraljudsavkänning i smarta vattenmätare (figur 5). EVM har stöd för en mängd olika sensorer från 50 kHz till 2,5 MHz och innehåller en LCD-skärm för att visa mätningar, och har kontakter för integrering av moduler för RF-kommunikation.

Figur 5: EVM430-FR6047 kan användas för att utvärdera prestandan hos MSP430FR6047 i ultraljudsavkänning av transporttid i vattenmätare. (Bildkälla: Texas Instruments)

Kringkomponenter

EFR32FG22C121F512GM32 De trådlösa systemkretsarna EFR32FG22 serie 2 från Silicon Laboratories är en enkretslösning som kombinerar en Cortex-M33 med 38,4 MHz och en högeffektiv 2,4 GHz-radio samt inbyggda säkerhetsfunktioner för att tillhandahålla snabb kryptering, säker boot-laddning och åtkomstkontroll för felsökning (figur 6). Enheten har en maximal uteffekt på upp till 6 dBm och en mottagningskänslighet på -102,1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. EFR32FG22C121F512GM32 kombinerar extremt låg sändnings- och mottagningseffekt (8,2 mA vid +6 dBm, 3,6 mA vid mottagning), 1,2 µA i djupviloläge och har en stabil radiofrekvenslänk för tillförlitlig kommunikation och hög energieffektivitet för smarta mätare och liknande tillämpningar.

Figur 6: De trådlösa systemkretsarna i EFR32FG22 serie 2 innehåller en ARM Cortex-M33 kärna på 38,4 MHz med snabb kryptering och säkra funktioner för boot-laddning. (Bildkälla: DigiKey)

Litium-tionylklorid (LiSOCl2)-batterier, som TL-5920/T med lödflikar (figur 7) och TL-5920/S med standardanslutningar från Tadiran, är särskilt lämpade för användning i smarta mätare för vatten, gas och el. Dessa primärbatterier har en nominell kapacitet på 8,5 Ah när de laddas ur med en hastighet på 3 mA med en ansluten spänning (V) på 2 V, en nominell spänning på 3,6 V, en maximal kontinuerlig strömstyrka på 230 mA, en maximal pulsströmstyrka på 400 mA och ett arbetstemperaturområde på -55 till +85 °C. Batterierna kan hålla i 20 till 30 år - lika länge som mätaren - utan att dyra batteribyten behövs.

Figur 7: LiSOCl2-batterier som t.ex. TL-5920/T kan hålla i upp till 30 år och är väl lämpade för smarta mätare. (Bildkälla: DigiKey)

Förbättrad noggrannhet

Tekniker för kompensation, kalibrering och impedansmatchning kan användas för att förbättra noggrannheten hos vattenmätare som använder ultraljudssensorer med transporttidsmätning:

• Mätnoggrannheten i ultraljudsmätare med ToF-mätning begränsas av hur konstant ljudhastigheten är och av noggrannheten hos signalbehandlingselektroniken. Ljudets hastighet kan variera med densitet och temperatur. Kompensation bör läggas till för att kalibrera och justera för förändringar i ljudets hastighet och eventuella variationer i signalbehandlingskretsen.

• Ultraljudsmätare med ToF-mätning är vanligtvis grundkalibrerade i fabriken. Kalibreringsparametrarna kan omfatta tidsfördröjningar på grund av omvandlare, elektronik och kablar, eventuellt nödvändig offsetkorrigering av ΔToF för varje akustisk signalväg och konstruktionsberoende geometriska parametrar. Fabrikskalibrering kan förbättra noggrannheten vid låga flöden och inga flöden och bör inte påverka noggrannheten vid höga flöden.

• Ett par mycket symmetriska signalvägar för sändning och mottagning behövs för att minimera eller eliminera ΔToF-offset vid statiska flödesförhållanden. En lösning för impedansanpassning kan användas för att kontrollera impedanserna i respektive signalväg. Detta förenklar kalibreringen av ΔToF och resulterar i en mycket liten avvikelse av felet vid nollflöde i arbetsområdena för tryck- och temperatur, även om givarna inte är perfekt anpassade.

Sammanfattning

Smarta ultraljudsvattenmätare med ToF vinner marknadsandelar i bostäder, industriella och kommersiella tillämpningar för att göra det lättare att identifiera och lokalisera läckor i vattendistributionssystem och förse användare med den information som krävs för att förbättra vattenkonversationen. Piezoelektriska omvandlare används för att generera två uppsättningar ultraljudspulser som skickas i motsatt riktning genom vattenflödet. Skillnaden i transporttid mellan pulserna nedströms och uppströms används för att mäta vattnets flödeshastighet och kan stödja dubbelriktade flödesmätningar. Mätarna har inga rörliga delar, vilket gör dem mycket tillförlitliga och energieffektiva. OIML har fastställt internationella standarder för klassificering av högsta tillåtna fel för vattenmätare. Tekniker för kompensation, kalibrering och impedansmatchning kan användas för att förbättra noggrannheten hos dessa vattenmätare.