Статистика настораживает: только в Соединенных Штатах в результате утечки в домах ежегодно тратится около 900 миллиардов галлонов воды. Для сравнения: этого количества воды достаточно для снабжения около 11 миллионов домов ежегодно. И другие страны - от Европы до Азии - сталкиваются с аналогичными проблемами. Эта проблема усугубляется ожидаемой нехваткой воды.
Но помощь здесь. Ультразвуковая технология дает счетчикам воды, установленным в умных зданиях и умных городах, возможность обнаруживать и локализовать утечки размером до одной капли каждые несколько секунд. В городах от Остина до Антверпена устанавливаются высокотехнологичные интеллектуальные водомеры, которые предоставляют клиентам информацию, необходимую для поиска утечек и экономии воды, а также помогают коммунальным службам выявлять утечки инфраструктуры в стареющих трубопроводах и поврежденных водопроводах.
«Вода, которая у нас есть сегодня, - это единственная вода, которая у нас когда-либо будет», - говорит Холли Холт-Торрес, менеджер по охране водных ресурсов компании City of Dallas Water Utilities. «Мы должны его сохранить. Технологии позволят нам делать это на все более высоком уровне ».
Но применение этой ультразвуковой технологии выходит за рамки счетчиков воды. Та же технология может использоваться в счетчиках, которые измеряют поток природного газа и даже обнаруживают смесь газа, протекающую по трубам. Это может даже помочь медицинским работникам регулировать доставку кислорода в хирургическое оборудование.
Плыть по течению
Ультразвуковые волны, конечно, не новость. Летучие мыши, например, используют ультразвуковое определение расстояния, чтобы избегать препятствий и ловить насекомых ночью. А в более высокотехнологичных приложениях он используется для распознавания материалов, предотвращения столкновений в автомобилях, а также для получения промышленных и медицинских изображений.
Сейчас он используется в счетчиках воды и других расходомерах. Счетчики традиционно полагались на электромеханическую систему с вращающимся шпинделем или зубчатым колесом, в котором для генерации импульсов используется магнитный элемент. Но - как и в случае с термостатами, двигателями и множеством других повседневных устройств - электромеханические системы в расходомерах быстро переходят в электронные системы.
В этих системах пара иммерсивных ультразвуковых преобразователей измеряет скорость акустических волн в жидкости. Скорость распространения акустической волны зависит от вязкости, скорости потока и направления жидкости, протекающей по трубе. Ультразвуковые волны распространяются с разной скоростью в зависимости от жесткости среды, через которую они проходят.
Точность измерения зависит от качества преобразователя, прецизионных аналоговых схем и алгоритмов обработки сигналов. Акустические или ультразвуковые преобразователи представляют собой пьезоматериалы, которые преобразуют электрические сигналы в механические колебания с относительно высокой частотой в сотни килогерц. Обычно пара ультразвуковых преобразователей в диапазоне 1-2 МГц должна быть хорошо согласована и откалибрована для точного измерения расхода. Они составляют значительную часть стоимости расходомера. Сенсорная система должна работать при очень низкой мощности, чтобы обеспечить срок службы батареи 15-20 лет.
Усовершенствованный чип расходомера нашей компании, MSP430FR6043, включает в себя уникальный аналоговый интерфейс и алгоритм, которые значительно повышают точность при одновременном снижении общих затрат и энергопотребления. Наша архитектура измерения расхода использует высокопроизводительный аналоговый дизайн, передовые алгоритмы и встроенную обработку, чтобы уменьшить потребность в паре дорогих ультразвуковых преобразователей. Алгоритмы аналогового внешнего интерфейса и обработки сигналов компенсируют несоответствие датчика.
Каждая капля на счету
Типичный ультразвуковой расходомер передает ультразвуковую волну и измеряет дифференциальную задержку в приемнике для оценки скорости потока. Измерения задержки обычно выполняются схемой цифрового преобразователя времени, которая отслеживает переход через ноль принятой формы волны. Проблема с типичным подходом заключается в том, что он недостаточно чувствителен для определения уровней потока с высокой точностью.
В нашей архитектуре используется интеллектуальный аналоговый интерфейс с высокопроизводительным аналого-цифровым преобразователем для улучшения соотношения сигнал-шум и устранения неточностей калибровки. У этого подхода есть несколько преимуществ:
- Он может обеспечить более высокую точность за счет уменьшения помех и улучшения отношения сигнал / шум.
- Архитектура может измерять широкий динамический диапазон потока, от пожарного рукава до небольшой утечки.
- Использование драйвера с более низким напряжением значительно экономит электроэнергию и затраты. Средний ток для одного измерения в секунду составляет менее 3 микроампер. Это означает, что срок службы батареи составляет более 15 лет.
- Он может обнаруживать турбулентность, пузырьки и другие аномалии потока, что важно для анализа потока и обслуживания трубопроводов.
- Технология устойчива к изменениям амплитуды в двух направлениях потока, которые могут возникать в воде и газе при более высоких расходах.
Многие другие технологии TI имеют решающее значение для высокопроизводительного расходомера. Микроконтроллер с низким энергопотреблением со встроенным ультразвуковым аналоговым интерфейсом, высокопроизводительным эталонным тактовым сигналом, управлением мощностью с низким током покоя и сверхточным согласованием импеданса трактов передающего драйвера и приемного усилителя являются примерами дополнительных технологий дифференциации в этих расходомерах.
Вместе эти технологии могут помочь сохранить один из наших самых ценных ресурсов.