Hoe ultrasone detectie te gebruiken in slimme watermeters

Het uitbreiden en verbeteren van slimme watermeters is een essentieel onderdeel van doeltreffend waterbeheer. Meting helpt bij het opsporen en lokaliseren van lekken in waterdistributiesystemen en kan gebruikers helpen bij een betere waterbesparing tijdens droogte of andere beperkingen in de watervoorziening. Ultrasone debietmetertechnologie wordt steeds meer toegepast in industriële, commerciële en residentiële omgevingen. Deze meters bieden verschillende voordelen in vergelijking met traditionele mechanische watermeters: er zijn geen bewegende delen, waardoor het onderhoud tot een minimum wordt beperkt en de betrouwbaarheid maximaal is, ze zijn energiezuinig en een batterij kan vele jaren meegaan, ze bieden een hoge nauwkeurigheid, en ze kunnen worden ontworpen om bidirectionele metingen te ondersteunen.

Dit artikel beschrijft de werking en integratie van ultrasone stromingssensoren in slimme watermeters en geeft een kort overzicht van de internationale normen voor de nauwkeurigheid van residentiële meters. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van componenten die geschikt zijn voor gebruik in die meters, waaronder een ultrasone sensor van Audiowell, analog front end (AFE) en time-to-digital convertor (TDC) IC's, plus een microcontroller unit (MCU) en evaluatiebord van Texas Instruments, alsmede "ondersteunende" componenten, waaronder een RF-transceiver met secure boot van Silicon Labs, en een primaire batterij met lange levensduur van Tadiran. Het verslag eindigt met enkele suggesties om de nauwkeurigheid van de ultrasone debietmeter te verbeteren.

Een typische ultrasone debietmeter met doorlooptijd bevat twee piëzo-elektrische transducers die twee series ultrasone pulsen genereren die in tegengestelde richting door het stromende water worden gestuurd. Het verschil in time of flight (ToF) tussen de stroomafwaartse en stroomopwaartse pulsen wordt gebruikt om de stroomsnelheid van het water te meten. Andere functionele blokken zijn (Afbeelding 1):

• Een akoestische spiegel voor elk van de piëzo-elektrische opnemers.
• Een transit ToF IC, dit bestaat vaak uit twee IC's, een analoog front-end om te interfacen met de transducers en een aparte picoseconde nauwkeurige stopwatch om de ToF te meten.
• Een microcontroller om het debiet te berekenen en te koppelen aan het communicatie-IC en een optioneel display
• Een duurzame batterij of andere stroombron (niet afgebeeld)

Afbeelding 1: Twee series ultrasone pulsen worden in tegengestelde richting uitgezonden. Het verschil in time of flight (reistijd) tussen de stroomafwaartse (blauwe) en stroomopwaartse (rode) pulsen wordt gebruikt om het debiet van het water te meten. (Bron afbeelding: Audiowell)

Aan het begin van elke ultrasone puls wordt een "start"-signaal gegenereerd om het begin van de ToF-meting aan te geven. Wanneer de puls de ontvanger bereikt, wordt een "stop"-signaal gegenereerd, en het interval tussen "start" en "stop" wordt gebruikt om de ToF te bepalen op basis van een stopwatchfunctie. Wanneer er geen water stroomt, zullen de metingen van de doorlooptijd identiek zijn. Bij normale stroming zal de golf stroomopwaarts zich langzamer verplaatsen dan de golf stroomafwaarts. Als het water in de omgekeerde richting stroomt, zullen de golfsnelheden ten opzichte van de sensoren omgekeerd zijn.

Normen voor de nauwkeurigheid van woonhuismeters

Debietmeters voor woningen moeten aan verschillende normen voldoen. Zo worden de metrologische eisen voor de maximaal toelaatbare fout (MPE) voor watermeters door de Internationale Organisatie voor Wettelijke Metrologie (OIML) gedefinieerd door een reeks waarden die Q1, Q2, Q3 en Q4 worden genoemd (tabel 1).

Tabel 1: De OIML-normen voor watermeters voor woningen MPE's zijn gebaseerd op een reeks van vier debietzones. (Bron: Texas Instruments)

De numerieke waarde van Q3 geeft een watermeter aan in kubieke meter per uur (m³/h) en de verhouding Q3/Q1. De waarde van Q3 en de verhouding Q3/Q1 zijn te vinden in lijsten in de OIML-normen. Watermeters worden gedefinieerd als klasse 1 of klasse 2 op basis van de maximaal toelaatbare fouten:

• Klasse 1 meters
  • De maximaal toelaatbare fout voor de zone met het laagste debiet, tussen Q1 en Q2, bedraagt ±3%, ongeacht de temperatuur.
  • De maximaal toelaatbare fout voor de bovenste stroomsnelheidszone, tussen Q2 en Q4, bedraagt ±1%, voor temperaturen van 0,1 tot +30 °C, en ±2% voor temperaturen boven +30 °C.
• Klasse 2 meter
  • De maximaal toelaatbare fout voor de zone met het laagste debiet bedraagt ±5%, ongeacht de temperatuur.
  • De maximaal toelaatbare fout voor de bovenste stroomsnelheidszone is ±2%, voor temperaturen van 0,1 tot +30 °C, en ±3% voor temperaturen boven +30 °C.

Ultrasone koud water stromingsbuis

De HS0014-000 ultrasone debietsensor van Audiowell bestaat uit een paar ultrasone debiettransducers en bijbehorende reflectoren in een DN15 polymeerbuis die ontwerpers kunnen gebruiken in ToF slimme watermeters (Afbeelding 2). Hij heeft een laag drukverlies, een hoge betrouwbaarheid en een nauwkeurigheid van ±2,5%. Hij is geschikt voor een bedrijfstemperatuur van 0,1 tot +50 °C en werkt met een maximaal ingangssignaal van 5 volt piek-piek bij 1 MHz, en is ontworpen voor gebruik in klasse 2 residentiële toepassingen zoals gedefinieerd in de OIML-normen.

Afbeelding 2: De ultrasone debietsensor HS0014-000 omvat een paar ultrasone stromingsopnemers in een polymeerbuis. (Bron afbeelding: Audiowell)

Texas Instruments (TI) biedt een trio IC's die ontwerpers kunnen gebruiken met de HS0014-000 in ultrasone ToF-watermeters. De TDC1000 is een volledig geïntegreerde AFE voor ultrasone sensormetingen. Hij is programmeerbaar en kan worden ingesteld voor meerdere zendpulsen, frequenties, signaaldrempel en versterking, geschikt voor transducers die werken van 31,25 kiloHertz (kHz) tot 4 MegaHertz (MHz), met verschillende kwaliteitsfactoren (Q). De TDC1000 beschikt over energiezuinige bedrijfsmodi die geschikt zijn voor slimme ultrasone ToF-debietmeterontwerpen op batterijen.

Afbeelding 3: De TDC1000 is een volledig geïntegreerde AFE die kan worden gekoppeld aan de HS0014-000 in ontwerpen voor ToF slimme watermeters. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Het tweede IC van TI is de TDC7200, een TDC en picoseconde nauwkeurige stopwatch (Afbeelding 4). Dit apparaat heeft een interne zelfgekalibreerde tijdbasis die een picoseconde conversienauwkeurigheid mogelijk maakt en nauwkeurige metingen van lage stroming en geen stroming ondersteunt. Bovendien kan de autonome middeling van meerdere cycli worden gebruikt om de host-MCU in slaapstand te zetten om energie te besparen, waarbij de MCU pas ontwaakt als de meetreeks door de TDC7200 is voltooid.

Afbeelding 4: De TDC7200 TDC en de picoseconde-nauwkeurige stopwatch zijn ontworpen om te werken met de TDC1000 AFE. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

TI biedt ook de MSP430FR6047, een ultralaagvermogen MCU met een geïntegreerde ultrasone sensing analoge front-end voor precieze en nauwkeurige metingen. Dit apparaat bevat een energiezuinige versneller voor signaalverwerking, waardoor ontwerpers het stroomverbruik kunnen optimaliseren om de levensduur van de batterij te verlengen. De MSP430FR600x MCU's integreren ook verschillende randapparatuur die nuttig is voor slimme meetontwerpen, waaronder:

• LCD-driver
• Real-time klok (RTC)
• 12-bit opeenvolgende-benaderingsregister (SAR) analoog-digitaalconvertor (ADC)
• Analoge comparator
• Encryptieversneller voor AES256
• Een module voor cyclische redundantiecontrole (CRC)

Ultrasone meter EVB

Om het ontwikkelingsproces te versnellen en de time-to-market te verkorten, kunnen ontwerpers de EVM430-FR6047 gebruiken om de prestaties van de MSP430FR6047 MCU's voor ultrasone detectie in slimme watermeters te evalueren (Afbeelding 5). De EVM ondersteunt een verscheidenheid aan transducers van 50 kHz tot 2,5 MHz en bevat een ingebouwd LCD-scherm om metingen weer te geven en connectors voor de integratie van RF-communicatiemodules.

Afbeelding 5: De EVM430-FR6047 kan worden gebruikt om de prestaties van de MSP430FR6047 bij ultrasone ToF-detectie in watermeters te evalueren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Ondersteunende componenten

De EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22-serie 2 draadloze SoC's van Silicon Laboratories is een single-die oplossing die een 38,4 MHz Cortex-M33 combineert met een krachtige 2,4 GigaHertz (GHz) radio en geïntegreerde beveiligingsfuncties die zorgen voor snelle encryptie, veilig opstarten en een debug-toegangscontrole (figuur 6). Dit apparaat heeft een maximaal uitgangsvermogen van 6 decibelmeter (dBm) en een ontvangstgevoeligheid van -102,1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. De EFR32FG22C121F512GM32 combineert ultralaag zend- en ontvangstvermogen (8,2 milliampère (mA) zenden bij +6 dBm, 3,6 mA ontvangen), 1,2 microampère (µA) deep-sleep mode power en biedt een robuuste radiofrequentie (RF)-verbinding voor betrouwbare communicatie en hoge energie-efficiëntie voor slimme meters en soortgelijke toepassingen.

Afbeelding 6: EFR32FG22-serie 2 draadloze SoC's bevatten een 38,4 MHz ARM Cortex-M33 kern met snelle encryptie en beveiligde opstartfuncties. (Bron afbeelding: DigiKey)

Klos-type lithium thionyl chloride (LiSOCl2) batterijen zoals de TL-5920/T met soldeerlipjes (figuur 7) en TL-5920/S met standaard aansluitingen van Tadiran zijn bijzonder geschikt voor gebruik in water-, gas- en elektrische slimme meters. Deze primaire batterijen hebben een nominale capaciteit van 8,5 ampère-uur (Ah) bij een ontladingssnelheid van 3 mA tot een klemspanning (V) van 2 V, een nominale spanning van 3,6 V, een maximale continue stroom van 230 mA, een maximale pulsstroom van 400 mA en een bedrijfstemperatuurbereik van -55 tot +85 °C. Deze batterijen kunnen 20 tot 30 jaar meegaan - even lang als de meter - zonder dat de batterijen duur vervangen hoeven te worden.

Afbeelding 7: LiSOCl2-batterijen zoals de TL-5920/T kunnen tot 30 jaar meegaan en zijn zeer geschikt voor slimme metertoepassingen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Verbetering van de nauwkeurigheid

Compensatie-, kalibratie- en impedantieaanpassingstechnieken kunnen worden gebruikt om de nauwkeurigheid van ultrasone ToF-watermeters te verbeteren:

• De meetnauwkeurigheid in ultrasone ToF-meters wordt beperkt door de mate waarin de geluidssnelheid constant is, en door de nauwkeurigheid van de signaalverwerkingselektronica. De geluidssnelheid kan variëren met de dichtheid en de temperatuur. Compensatie moet worden toegevoegd om veranderingen in de geluidssnelheid en eventuele variaties in het signaalverwerkingscircuit te kalibreren en aan te passen.

• Ultrasone ToF-meters worden gewoonlijk in de fabriek droog gekalibreerd. De kalibreringsparameters kunnen de tijdsvertragingen omvatten die te wijten zijn aan transducers, elektronica en kabels, de nodige ΔToF-offset-correctie voor elk akoestisch pad en ontwerpafhankelijke geometrische parameters. Fabriekskalibratie kan de nauwkeurigheid bij lage stroomsnelheid en geen stroming verbeteren en zou de nauwkeurigheid bij hoge stroomsnelheid niet mogen beïnvloeden.

• Een zeer symmetrisch paar zend- en ontvangstsignaalpaden is nodig om ΔToF-offset onder statische stromingsomstandigheden te minimaliseren of te elimineren. Een impedantieaanpassing kan worden gebruikt om de impedanties van elk pad te regelen. Dit vereenvoudigt de ΔToF-kalibratie en resulteert in een zeer geringe afwijking van de fout bij nuldoorstroming over het operationele druk- en temperatuurbereik, zelfs als de opnemers niet perfect op elkaar zijn afgestemd.

Samenvatting

Ultrasone ToF slimme watermeters winnen marktaandeel in residentiële, industriële en commerciële toepassingen om lekken in waterdistributiesystemen te helpen opsporen en lokaliseren en gebruikers de informatie te verstrekken die nodig is om het watergebruik te verbeteren. Piëzo-elektrische transducers worden gebruikt om twee series ultrasone pulsen te genereren die in tegengestelde richting door het stromende water worden gestuurd. Het ToF-verschil tussen de stroomafwaartse en stroomopwaartse pulsen wordt gebruikt om het debiet van het water te meten en kan bidirectionele debietmetingen ondersteunen. Deze meters hebben geen bewegende delen waardoor ze zeer betrouwbaar en energiezuinig zijn. De OIML heeft internationale normen vastgesteld voor de indeling van de MPE-niveaus van watermeters. Compensatietechnieken, kalibratie en impedantieaanpassing kunnen worden gebruikt om de nauwkeurigheid van deze meters te verbeteren.