Статистика викликає занепокоєння: лише в США витоки домогосподарств витрачають близько 900 мільярдів галонів води щороку. Щоб поставити цю цифру в перспективі, цього достатньо для забезпечення близько 11 мільйонів будинків щороку. І інші країни - від Європи до Азії - стикаються з подібними проблемами. Цю проблему ускладнює очікуваний дефіцит води.
Але допомога тут є. Ультразвукова технологія надає лічильникам води, встановленим у розумних будинках та розумних містах, можливість виявляти та локалізувати витоки, що становлять лише одну краплю кожні кілька секунд. Міста від Остіна до Антверпена встановлюють високотехнологічні інтелектуальні лічильники води, які надають споживачам інформацію, необхідну їм для виявлення витоків та збереження води, допомагаючи комунальним службам виявляти витоки інфраструктури у стареючих трубах та непрацюючих водопроводах.
"Вода, яку ми маємо сьогодні, є єдиною водою, яку ми коли-небудь матимемо", - каже Холлі Холт-Торрес, менеджер з охорони води у місті Даллас. “Ми повинні це зберегти. Технології дозволять нам робити це на дедалі вищому рівні ".
Але ця ультразвукова технологія має додатки, що виходять за межі лічильників води. Цю саму технологію можна використовувати в лічильниках, які вимірюють витрату природного газу і навіть виявляють суміш газу, що протікає по трубах. Це може навіть допомогти медичним працівникам регулювати доставку кисню в хірургічному обладнанні.
Йдучи потоком
Звичайно, ультразвукові хвилі не є новиною. Наприклад, кажани використовують ультразвуковий дальність, щоб уникнути перешкод і ловити комах вночі. А у більш високотехнологічних додатках він використовується для розпізнавання матеріалів, запобігання зіткненням у автомобілях та промислових та медичних зображень.
Зараз він використовується у лічильниках води та інших витратомірах. Вимірювачі традиційно покладаються на електромеханічну систему з поворотним шпинделем або шестернею, яка використовує магнітний елемент для генерації імпульсів. Але - як у випадку з термостатами, двигунами та безліччю інших повсякденних пристроїв - електромеханічні системи в витратомірах швидко переходять на електронні системи.
У цих системах пара іммерсивних ультразвукових перетворювачів вимірює швидкість звукових хвиль у рідині. Швидкість поширення акустичної хвилі є функцією в'язкості, швидкості потоку та напрямку рідини, що протікає по трубі. Ультразвукові хвилі рухаються з різною швидкістю залежно від жорсткості носія, через який вони проходять.
Точність вимірювання залежить від якості перетворювача, точності аналогових схем та алгоритмів обробки сигналів. Акустичні або ультразвукові перетворювачі - це п’єзоматеріали, які перетворюють електричні сигнали в механічні коливання на відносно високій частоті в сотні кілогерц. Як правило, пара ультразвукових перетворювачів в діапазоні 1-2 МГц повинна бути добре підібраною та відкаліброваною для точного вимірювання витрати. Вони складають значну частину вартості витратоміра. Сенсорна система повинна працювати на дуже низькій потужності, щоб забезпечити 15-20 років автономної роботи.
Удосконалений чіп вимірювача витрати нашої компанії, MSP430FR6043, включає унікальний аналоговий інтерфейс та алгоритм, який значно покращує точність, одночасно знижуючи загальні витрати та енергоспоживання. Наша архітектура вимірювання потоку використовує високопродуктивний аналоговий дизайн, вдосконалені алгоритми та вбудовану обробку, щоб зменшити потребу в дорогій парі ультразвукових перетворювачів. Аналогові алгоритми обробки інтерфейсу та обробки сигналів компенсують невідповідність датчика.
Врахування кожної краплі
Типовий ультразвуковий витратомір передає ультразвукову хвилю і вимірює диференціальну затримку на приймачі для оцінки швидкості потоку. Вимірювання затримки, як правило, обробляються схемою цифрового перетворювача часу, яка контролює перетин нуля прийнятої форми сигналу. Проблема типового підходу полягає в тому, що він недостатньо чутливий для виявлення рівнів потоку з високою точністю.
Наша архітектура використовує інтелектуальний аналоговий інтерфейс із високопродуктивним аналого-цифровим перетворювачем для поліпшення якості сигнал / шум та подолання неточностей калібрування. Цей підхід має ряд переваг:
- Він може досягти більш високої точності за рахунок зменшення перешкод і поліпшення відношення сигнал / шум.
- Архітектура може вимірювати широкий динамічний діапазон потоку, від пожежного шланга до невеликого витоку.
- Використовуючи драйвер нижчої напруги, це значно економить на енергії та витратах. Середній струм для одного вимірювання в секунду менше 3 мікроампер. Це означає, що час автономної роботи становить понад 15 років.
- Він може виявляти турбулентність, бульбашки та інші аномалії потоку, що важливо для аналізу потоку та обслуговування трубопроводів.
- Ця технологія надійна на коливання амплітуди в двох напрямках потоку, які можуть виникати у воді та газі при більш високих витратах.
Багато інших технологій TI мають вирішальне значення для високопродуктивного витратоміра. Мікроконтролер малої потужності з інтегрованим ультразвуковим аналоговим фронтальним кінцем, високопродуктивним еталоном годинника, низьким рівнем струму в режимі споживання та надточним узгодженням імпедансу передавальних та приймальних підсилювачів є прикладами додаткових технологій диференціації в цих витратомірах.
Разом ці технології можуть допомогти зберегти один з наших найцінніших ресурсів.