De statistieken zijn alarmerend: alleen al in de Verenigde Staten verspillen huishoudelijke lekken jaarlijks ongeveer 900 miljard liter water. Om dat aantal in perspectief te plaatsen: dat is genoeg water om jaarlijks ongeveer 11 miljoen huishoudens te voorzien. En andere landen - van Europa tot Azië - staan voor vergelijkbare uitdagingen. Dit probleem wordt gecompenseerd door verwachte watertekorten.
Maar er is hulp. Ultrasone technologie geeft watermeters die zijn geïnstalleerd in slimme gebouwen en slimme steden de mogelijkheid om lekken van slechts één druppel om de paar seconden te detecteren en te lokaliseren. Steden van Austin tot Antwerpen installeren hoogtechnologische slimme watermeters die klanten de informatie geven die ze nodig hebben om lekken op te sporen en water te besparen, terwijl ze nutsbedrijven helpen bij het identificeren van infrastructuurlekken in verouderde leidingen en kapotte waterleidingen.
"Het water dat we vandaag hebben, is het enige water dat we ooit zullen hebben", zegt Holly Holt-Torres, manager waterbehoud van de stad Dallas Water Utilities. 'We moeten het behouden. Technologie stelt ons in staat dat op een steeds hoger niveau te doen. ”
Maar deze ultrasone technologie heeft toepassingen die verder reiken dan watermeters. Dezelfde technologie kan worden gebruikt in meters die de aardgasstroom meten en zelfs het gasmengsel detecteren dat door leidingen stroomt. Het kan zelfs medische professionals helpen bij het reguleren van de zuurstoftoevoer in chirurgische apparatuur.
Met de stroom meegaan
Ultrasone golven zijn natuurlijk niet nieuw. Vleermuizen gebruiken bijvoorbeeld ultrasoon bereik om obstakels te vermijden en 's nachts insecten te vangen. En in meer hoogtechnologische toepassingen wordt het gebruikt bij het onderscheiden van materialen, het vermijden van botsingen in auto's en industriële en medische beeldvorming.
Nu wordt het gebruikt in watermeters en andere debietmeters. Meters vertrouwden traditioneel op een elektromechanisch systeem met een draaiende spil of tandwiel die een magnetisch element gebruikt om pulsen te genereren. Maar - zoals het geval is met thermostaten, motoren en tal van andere alledaagse apparaten - schakelen elektromechanische systemen in debietmeters snel over op elektronische systemen.
In deze systemen meet een paar immersieve ultrasone transducers de snelheid van akoestische golven in de vloeistof. De voortplantingssnelheid van akoestische golven is een functie van de viscositeit, het debiet en de richting van de vloeistof die door de buis stroomt. Ultrasone golven verplaatsen zich met verschillende snelheden, afhankelijk van de stijfheid van de media waar ze doorheen reizen.
De nauwkeurigheid van de meting hangt af van de kwaliteit van de transducer, analoge precisiecircuits en signaalverwerkingsalgoritmen. Akoestische of ultrasone transducers zijn piëzo-materialen die elektrische signalen omzetten in mechanische trillingen met een relatief hoge frequentie van honderden kilohertz. Typisch moet een paar ultrasone transducers in het bereik van 1-2 MHz goed op elkaar zijn afgestemd en gekalibreerd om de stroom nauwkeurig te meten. Ze vormen een aanzienlijk deel van de kosten van de debietmeter. Het sensorsysteem moet op een zeer laag vermogen werken om een batterijlevensduur van 15-20 jaar te garanderen.
De geavanceerde flowmetingschip van ons bedrijf, de MSP430FR6043, bevat een uniek analoog front-end en algoritme dat de nauwkeurigheid aanzienlijk verbetert en de totale kosten en het stroomverbruik verlaagt. Onze flowmetingsarchitectuur maakt gebruik van hoogwaardig analoog ontwerp, geavanceerde algoritmen en ingebouwde verwerking om de behoefte aan een duur paar ultrasone transducers te verminderen. Analoge front-end en signaalverwerkingsalgoritmen compenseren de verkeerde combinatie van transducers.
Elke druppel telt
Een typische ultrasone stroommeter zendt een ultrasone golf uit en meet de differentiële vertraging bij de ontvanger om de snelheid van de stroom te schatten. Vertragingsmetingen worden meestal afgehandeld door een tijd-naar-digitaal-omzetcircuit dat de nuldoorgang van de ontvangen golfvorm bewaakt. De uitdaging met de typische benadering is dat deze niet gevoelig genoeg is om debietniveaus met hoge nauwkeurigheid te detecteren.
Onze architectuur maakt gebruik van een slimme analoge front-end met een hoogwaardige analoog-naar-digitaal-omzetter om de signaal-ruiskwaliteit te verbeteren en kalibratie-onnauwkeurigheden te verhelpen. Deze aanpak heeft verschillende voordelen:
- Het kan een hogere nauwkeurigheid bereiken door interferentie te verminderen en de signaal-ruisverhouding te verbeteren.
- De architectuur kan een breed dynamisch debiet meten, van een brandslang tot een klein lek.
- Door een driver met een lager voltage te gebruiken, bespaart het aanzienlijk op stroom en kosten. De gemiddelde stroom voor één meting per seconde is minder dan 3 microampère. Dit vertaalt zich naar een batterijduur van meer dan 15 jaar.
- Het kan turbulentie, bellen en andere stroomafwijkingen detecteren, wat belangrijk is voor stroomanalyse en onderhoud aan de pijpleidingen.
- De technologie is bestand tegen amplitudevariaties in de twee stromingsrichtingen, die kunnen optreden in water en gas bij hogere stroomsnelheden.
Veel andere TI-technologieën zijn cruciaal voor een krachtige debietmeter. Een low-power microcontroller met geïntegreerde ultrasone analoge front-end, een krachtige klokreferentie, een energiebeheer met lage ruststroom en uiterst nauwkeurige impedantie-aanpassing van de zendstuurprogramma- en ontvangstversterkerpaden zijn voorbeelden van aanvullende differentiërende technologieën in deze flowmeters.
Samen kunnen deze technologieën helpen een van onze kostbaarste hulpbronnen te behouden.