Ultraäänitunnistus älyvesimittareissa

Älyvesimittauksen laajentaminen ja parantaminen on olennainen osa tehokasta vedenkäytön hallintaa. Mittaaminen auttaa tunnistamaan ja paikantamaan vuotoja vedenjakelujärjestelmissä ja voi auttaa käyttäjiä parantamaan vedensäästöä kuivuuden tai muiden vedenjakelurajoituksien aikana. Ultraäänivirtausmittaritekniikan käyttö yleistyy teollisissa, kaupallisissa ja asuinympäristöissä. Nämä mittarit tarjoavat useita etuja perinteisiin mekaanisiin vesimittareihin verrattuna: liikkuvia osia ei ole, mikä minimoi huoltotarpeen ja maksimoi luotettavuuden, niiden virrankulutus on matala ja akku voi kestää useita vuosia, mittarit ovat tarkkoja ja ne voidaan suunnitella tukemaan kaksisuuntaisia mittauksia.

Tässä artikkelissa kuvataan ultraäänivirtausanturien toimintaa ja niiden integrointia älyvesimittareihin ja tarjotaan lyhyt katsaus asuinkiinteistöjen vesimittareiden tarkkuutta koskeviin kansainvälisiin standardeihin. Sen jälkeen artikkelissa annetaan esimerkkejä mittareissa käytettäviksi sopivista komponenteista, mukaan lukien Audiowellin ultraäänianturikokoonpano, analoginen etuaste (AFE), aika-digitaalimuuntimen (TDC) mikropiirit ja mikrokontrolleriyksikkö (MCU), Texas Instrumentsin evaluointikortti sekä ”tukikomponentteja”, kuten Silicon Labsin radiotaajuuslähetin-vastaanotin suojatulla käynnistyksellä, sekä Tadiraninpitkäkestoinen kertakäyttöparisto. Lopuksi artikkelissa esitetään ehdotuksia ultraäänivirtausmittarin tarkkuuden parantamiseksi.

Tyypillinen kulkuaikaan perustuva ultraäänivirtausmittari sisältää kaksi pietsosähköistä anturia, jotka tuottavat kaksi vastakkaisiin suuntiin virtaavan veden kautta lähetettävää ultraäänipulssisarjaa. Veden virtausnopeuden mittaamiseen käytetään virtausajan (time of flight eli ToF tai matka-aika) eroa eri suuntiin lähetettyjen pulssien välillä. Muita toiminnallisia lohkoja ovat (kuva 1)

• akustiset peilit kummallekin pietsosähköiselle anturille
• kulkuajan ToF-mikropiiri, joka koostuu usein kahdesta mikropiiristä, analogisesta anturiliitännän etuasteesta ja erillisestä ToF-ajan mittaamiseen käytettävästä pikosekunnin tarkkuudella toimivasta kellosta
• mikrokontrolleri, joka laskee virtauksen ja joka on yhdistetty tiedonsiirtomikropiiriin ja haluttaessa näyttöön
• pitkäkestoinen paristo tai muu virtalähde (ei kuvassa).

Kuva 1: Kaksi ultraäänipulssisarjaa lähetetään vastakkaisiin suuntiin. Veden virtausnopeuden mittaamiseen käytetään virtausajan (matka-aika) eroa myötäsuuntaan (sininen) ja vastasuuntaan (punainen) lähetettyjen pulssien välillä. (Kuvan lähde: Audiowell)

Jokaisen ultraäänipulssin alussa luodaan käynnistyssignaali, joka merkitsee ToF-mittauksen alun. Kun pulssi saavuttaa vastaanottimen, luodaan pysäytyssignaali. Tätä käynnistyksen ja pysäytyksen välistä aikaa käytetään ToF-ajan määritykseen sekuntikellotoiminnossa. Kun vesi on paikoillaan, kulkuaikamittaukset ovat identtiset. Normaaleissa virtausolosuhteissa vastavirtaan kulkeva aalto kulkee hitaammin kuin myötävirtaan kulkeva aalto. Jos vesi virtaa päinvastaiseen suuntaan, aallon kulkunopeus kääntyy suhteessa antureihin.

Asuinkiinteistömittarien tarkkuutta koskevat standardit

Asuinkiinteistöihin tarkoitetut virtausmittarit on suunniteltava täyttämään useat standardit. Esimerkiksi vesimittarien suurimman sallitun virheen (MPE) metrologiset vaatimukset määrittelee lakisääteisen metrologian kansainvälinen järjestö (International Organization of Legal Metrology, OIML) arvosarjalla Q1, Q2, Q3 ja Q4 (taulukko 1).

Taulukko 1: Asuinkiinteistöjen vesimittarien suurimpien sallittujen virheiden OIML-standardit perustuvat neljään virtausnopeusalueeseen. (Taulukon lähde: Texas Instruments)

Q3:n numeerinen arvo kertoo vesimittarin kuutiometrit tunnissa (m³/h) ja suhdeluvun Q3/Q1. Q3:n arvo ja Q3/Q1-suhde löytyvät OIML-standardien luetteloista. Vesimittarit määritellään suurimman sallitun virheen mukaan luokkaan 1 ja luokkaan 2:

• Luokan 1 mittarit
  • Alemman virtausnopeusalueen MPE Q1:n ja Q2:n välillä on ±3 % lämpötilasta riippumatta.
  • Ylemmän virtausnopeusalueen MPE Q2:n ja Q4:n välillä on ±1 %, kun lämpötila on 0,1...+30 °C, ja ±2 %, kun lämpötila on yli +30 °C.
• Luokan 2 mittarit
  • Alemman virtausnopeusalueen MPE on ±5 % lämpötilasta riippumatta.
  • Ylemmän virtausnopeusalueen MPE on ±2 %, kun lämpötila on 0,1...+30 °C ja ±3 %, kun lämpötila on yli +30 °C.

Ultraäänivirtausputki kylmälle vedelle

Audiowellin HS0014-000-ultraäänivirtausanturi koostuu kahdesta ultraäänivirtausanturista ja niitä vastaavista heijastimista DN15-polymeeriputkessa, joita suunnittelijat voivat käyttää ToF-älyvesimittareissa (kuva 2). Siinä on pieni painehäviö, erinomainen luotettavuus ja ±2,5 %:n tarkkuus. Laite on tarkoitettu käytettäväksi lämpötilassa 0,1...+50 °C, se toimii enintään 5 voltin huipusta huippuun ‑tulojännitteellä taajuudella 1 MHz ja se on suunniteltu käytettäväksi OIML-standardien mukaisissa luokan 2 asuinkiinteistösovelluksissa.

Kuva 2: HS0014-000-ultraäänivirtausanturi sisältää kaksi ultraäänivirtausanturia polymeeriputkessa. (Kuvan lähde: Audiowell)

Texas Instruments (TI) tarjoaa kolme mikropiiriä, joita suunnittelijat voivat käyttää ToF-ultraäänivesimittareissa HS0014-000:n kanssa. TDC1000 on täysin integroitu AFE ultraäänitunnistusmittauksiin. Laite on ohjelmoitava, ja se voidaan määrittää useille lähetyspulsseille, taajuuksille, signaalikynnyksille ja vahvistuksille, jotka soveltuvat 31,25 kilohertsin (kHz) – 4 megahertsin (MHz) antureille erilaisilla laatutekijöillä (Q). TDC1000 tarjoaa vähävirtaiset toimintatilat, jotka soveltuvat ToF-ultraäänivirtausmittariin perustuviin paristokäyttöisiin älykkäisiin ratkaisuihin.

Kuva 3: TDC1000 on täysin integroitu AFE, joka voidaan yhdistää HS0014-000-anturin kanssa ToF-älyvesimittariratkaisuja varten. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Toinen TI:n mikropiiri on TDC7200, TDC ja pikosekunnin tarkkuudella toimiva kello (kuva 4). Tässä laitteessa on sisäinen itsekalibroitu aika-alusta, joka mahdollistaa pikosekunnin muuntotarkkuuden ja tukee tarkkoja mittauksia myös virtauksen ollessa alhainen tai kun virtausta ei ole lainkaan. Lisäksi autonomista monisyklistä keskiarvoistustilaa voidaan käyttää hyödyntäen virran säästämiseen isäntämikrokontrollerin lepotilaa, jolloin mikrokontrolleri herää vasta, kun TDC7200 on suorittanut mittaussekvenssin.

Kuva 4: TDC7200 TDC ja pikosekunnin tarkkuudella toimiva kello on suunniteltu toimimaan TDC1000 AFE:n kanssa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

TI tarjoaa myös erittäin vähävirtaisen mikrokontrollerin MSP430FR6047, joka sisältää integroidun ultraäänitunnistuksen analogisen etuasteen täsmällistä ja tarkkaa mittausta varten. Tämä laite sisältää signaalinkäsittelyä varten matalaenergiaisen kiihdyttimen, jonka avulla suunnittelijat voivat optimoida virrankulutuksen paristonkeston pidentämiseksi. MSP430FR600x MCU-laitteisiin on integroitu myös useita älymittauksissa hyödyllisiä oheislaitteita, kuten seuraavat:

• LCD-ohjain
• reaaliaikakello (RTC)
• 12-bittinen peräkkäisapproksimaatiorekisterityyppinen (SAR) analogia-digitaalimuunnin (ADC)
• analoginen komparaattori
• salauskiihdytin AES256:lle
• CRC-moduuli (syklinen ylimäärävarmistus).

Ultraäänimittarin evaluointialusta

Kehitysprosessin ja markkinoille viemisen nopeuttamiseksi suunnittelijat voivat käyttää EVM430-FR6047-evaluointialustaa MSP430FR6047-MCU:n suorituskyvyn arviointiin ultraäänitunnistuksessa ja älyvesimittareissa (kuva 5). EVM tukee useita antureita taajuuksilla 50 kHz – 2,5 MHz, ja se sisältää LCD-näytön mittausten näyttämiseen ja liittimet RF-tiedonsiirtomoduulien integrointia varten.

Kuva 5: EVM430-FR6047-evaluointialustaa voidaan käyttää MSP430FR6047:n suorituskyvyn arviointiin vesimittareiden ultraääneen perustuvassa ToF-tunnistuksessa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Tukikomponentit

Silicon Laboratories EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Series 2 on langaton SoC ja yksisiruinen ratkaisu, jossa yhdistyvät 38,4 MHz:n Cortex-M33 ja suorituskykyinen 2,4 gigahertsin (GHz) radio sekä integroidut turvaominaisuudet, jotka tarjoavat nopean salauksen, turvallisen käynnistyksen ja hallitun vianetsinnän (kuva 6). Tämän laitteen enimmäisteho on jopa 6 desibelimetriä (dBm) ja vastaanottoherkkyys –102,1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. EFR32FG22C121F512GM32 yhdistää erittäin alhaisen lähetys- ja vastaanottovirran (8,2 milliampeeria (mA) +6 dBm:n lähetyksessä ja 3,6 mA vastaanotossa), 1,2 mikroampeerin (μA) virran syvässä lepotilassa sekä tarjoaa robustin radiotaajuusyhteyden (RF) luotettavaan viestintään ja korkean energiatehokkuuden älymittareita ja vastaavia sovelluksia varten.

Kuva 6: EFR32FG22 Series 2 -langaton SoC sisältää 38,4 MHz:n ARM Cortex-M33 ‑ytimen, jossa on nopea salaus ja suojatut käynnistystoiminnot. (Kuvan lähde: DigiKey)

Bobbin-tyyppiset litiumtionyylikloridiparistot (LiSOCl2), kuten TadiraninTL-5920/T juotoskorvakkeilla (kuva 7), ja TL-5920/S vakioliitännöillä, sopivat erityisen hyvin käytettäväksi älykkäissä vesi-, kaasu- ja sähkömittareissa. Näiden ei-ladattavien paristojen nimelliskapasiteetti on 8,5 ampeerituntia (Ah), kun akku purkautuu 3 mA:n nopeudella 2 V:n napajännitteeseen (V), niiden nimellisjännite on 3,6 V, jatkuvan virran enimmäisarvo 230 mA, pulssivirran enimmäisarvo 400 mA ja käyttölämpötila-alue −55...+85 °C. Nämä paristot voivat kestää 20–30 vuotta – yhtä kauan kuin mittari – ilman kalliita akun vaihtoja.

Kuva 7: TL-5920/T:n kaltaiset LiSOCl2-paristot voivat kestää jopa 30 vuotta, ja ne sopivat hyvin älymittarisovelluksiin. (Kuvan lähde: DigiKey)

Tarkkuuden parantaminen

ToF-ultraäänivesimittareiden tarkkuutta voidaan parantaa kompensaatio-, kalibrointi- ja impedanssisovitustekniikoilla:

• ToF-ultraäänimittareiden mittaustarkkuutta rajoittaa äänen nopeuden tasaisuusaste sekä signaalinkäsittelyelektroniikan tarkkuus. Äänen nopeus voi vaihdella tiheyden ja lämpötilan mukaan. Kompensaatiota tarvitaan äänen nopeuden ja signaalinkäsittelypiirien muutosten kalibrointia ja säätöä varten.

• ToF-ultraäänimittarit on yleensä kuivakalibroitu tehtaalla. Kalibrointiparametreihin voivat sisältyä anturien, elektroniikan ja kaapelien aiheuttamat aikaviiveet, tarvittavat ΔToF-siirtymäkorjaukset kullekin akustiselle polulle sekä käytetystä rakenteesta riippuvat geometriset parametrit. Tehdaskalibrointi voi parantaa tarkkuutta olosuhteissa, joissa virtaus on alhainen tai virtausta ei ole, eikä sen tulisi vaikuttaa tarkkuuteen virtausnopeuden ollessa korkea.

• ΔToF-siirtymän minimoimiseksi tai poistamiseksi staattisen virtauksen aikana tarvitaan erittäin symmetrinen pari lähetys- ja vastaanottosignaalipolkuja. Impedanssisovitusratkaisua voidaan käyttää kunkin polun impedanssien hallintaan. Tämä yksinkertaistaa ΔToF-kalibrointia ja johtaa erittäin pieneen virheeseen nollavirtauksen aikana suunnitellussa käyttöpaineessa ja suunnitellulla lämpötila-alueella, vaikka antureita ei olisikaan sovitettu täydellisesti keskenään.

Yhteenveto

ToF-ultraääniälyvesimittarit saavuttavat markkinaosuutta asuinkiinteistöissä sekä teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa, koska ne auttavat tunnistamaan ja paikantamaan vuotoja vedenjakelujärjestelmissä sekä antavat käyttäjille tietoja, joita tarvitaan veden säästämisen tehostamiseen. Pietsosähköiset anturit tuottavat kaksi ultraäänipulssia, jotka lähetetään vastakkaisiin suuntiin virtaavan veden lävitse. ToF-eroa myötäsuunnan ja vastasuunnan pulssien välillä käytetään veden virtausnopeuden mittaamiseen, ja se mahdollistaa mittauksen molempiin suuntiin. Näissä mittareissa ei ole liikkuvia osia, mikä tekee niistä erittäin luotettavia ja energiatehokkaita. OIML on asettanut kansainväliset standardit vesimittarin MPE-tasojen luokitteluun. Näiden mittarien tarkkuutta voidaan parantaa kompensaatiotekniikoilla, kalibroinnilla ja impedanssisovituksella.