Ultrahangos érzékelés használata az intelligens vízmérőkben

Az intelligens vízmérés használatának szélesebb körben való elterjesztése és javítása a hatékony vízgazdálkodás alapvető eleme. A mérés segít azonosítani és megtalálni a vízellátó rendszerekben lévő szivárgásokat, és aszály vagy más vízellátási korlátozások idején segíthet a felhasználóknak a víztakarékosság javításában. Az ultrahangos áramlásmérő technika egyre nagyobb teret nyer az ipari, kereskedelmi és lakossági környezetben is. Ezek a mérők számos előnyt kínálnak a hagyományos mechanikus vízmérőkhöz képest: nincsenek bennük mozgó alkatrészek, így minimálisra csökkenthető a karbantartási igény és maximálisra növelhető a megbízhatóság, kis fogyasztásúak, ezért egy elem vagy akkumulátor akár évekig is eltarthat, nagy pontosságúak, és kialakíthatók úgy, hogy kétirányú méréseket tegyenek lehetővé.

Ez a cikk az ultrahangos áramlásérzékelők működését és intelligens vízmérőkbe való beépítését ismerteti, és röviden áttekinti a lakossági vízmérők pontosságára vonatkozó nemzetközi szabványokat. Ezután példákat mutat az ilyen mérőkben használható alkatrészekre, beleértve az Audiowell ultrahangos érzékelőegységét, egy analóg bemeneti egységet (AFE, analog front end) és egy idődigitalizáló (TDC, time-to-digital converter) IC-t, továbbá a Texas Instruments mikrovezérlőjét (MCU) és fejlesztőkártyáját, valamint néhány kiegészítő alkatrészt, beleértve a Silicon Labs biztonságos rendszerbetöltést kínáló rádió adó-vevőjét és a Tadiran hosszú élettartamú elsődleges akkumulátorait. A cikk az ultrahangos áramlásmérő pontosságának javítására vonatkozó javaslatokkal zárul.

Az áthaladási idő mérésén alapuló jellegzetes ultrahangos áramlásmérők két piezoelektromos jelátalakítót tartalmaznak. Ezek a jelátalakítók két ultrahangimpulzus-sorozatot állítanak elő, amelyeket egymással ellentétes irányban küldenek át az áramló vízen. A víz áramlási sebességének mérésére az áramlással azonos irányba és az áramlással szembe küldött impulzusok áthaladási idejének (ToF, time of flight) különbségét használják. Az egyéb funkcionális blokkok a következők (1. ábra):

• akusztikai tükör mindegyik piezoelektromos jelátalakítóhoz
• egy áthaladásiidő-mérő IC, amely gyakran két IC-ből áll: egy a jelátalakítókhoz való illesztőfelületként szolgáló analóg bemeneti fokozatból és egy külön billiomod másodperc (pikoszekundum, ps) pontosságú stopperórából, amely az áthaladási idő mérésére szolgál
• mikrovezérlő az áramlási mennyiség kiszámításához és a kommunikációs IC-vel, valamint az esetlegesen használt (nem kötelező) kijelzővel való összeköttetéshez
• hosszú élettartamú elem, akkumulátor vagy más áramforrás (nem látható az ábrán)

1. ábra: Az eszköz két ultrahangimpulzus-sorozatot küld ki egymással ellentétes irányban. A csövön átáramló vízmennyiség mérésére az áramlással azonos irányba (kék) és az áramlással szembe (piros) kiküldött impulzusok áthaladási idejének különbségét használják (kép: Audiowell)

Az eszköz minden egyes ultrahangimpulzus-sorozat kezdetén egy „start” jelet állít elő, amely az áthaladási idő mérésének kezdetét jelzi. Amikor az impulzussorozat eléri a vevőt, egy „stop” jel jön létre, és a rendszer a „start” és a „stop” jel közötti, stopperóra segítségével mért időtartamot használja az áthaladási idő meghatározására. Ha nem folyik víz, a két irányban mért áthaladási idők azonosak lesznek. Normál áramlási viszonyok között az áramlással szembe küldött hullám lassabban halad, mint az áramlással azonos irányba küldött. Ha a víz ellenkező irányba folyik, a hullámok haladási sebessége az érzékelőkhöz képest fordított lesz.

A lakossági fogyasztásmérők pontosságára vonatkozó szabványok

A lakossági felhasználásra szánt áramlásmérőket úgy kell megtervezni, hogy megfeleljenek a különböző szabványoknak. A Nemzetközi Mérésügyi Szervezet (OIML) például a Q1, Q2, Q3 és Q4 nevű értékek sorával határozza meg a vízmérők megengedett legnagyobb hibájára (MPE, maximum permissible error) vonatkozó méréstechnikai (metrológiai) követelményeket (1. táblázat).

1. táblázat: A lakossági vízmérők megengedett legnagyobb hibáira vonatkozó OIML-szabványok egy négy áramlásisebesség-zónából álló sort vesznek alapul (táblázat: Texas Instruments)

A Q3 számértéke határozza meg a vízmérő mérési tartományát köbméter/órában (m³/h), valamint a Q3/Q1 arányt. A Q3 értékét és a Q3/Q1 arányt az OIML szabványokban szereplő listák tartalmazzák. A vízmérőket a megengedett legnagyobb hibák alapján 1. vagy 2. osztályú vízmérőként határozzák meg:

• 1. osztályú vízmérők
  • Az alsó, a Q1 és Q2 közötti áramlásisebesség-zónában a megengedett legnagyobb hiba a hőmérséklettől függetlenül ±3%.
  • A felső, Q2 és Q4 közötti áramlásisebesség-zónában a megengedett legnagyobb hiba +0,1 °C és +30 °C közötti hőmérsékleten ±1%, míg +30 °C feletti hőmérsékleten ±2%.
• 2. osztályú vízmérők
  • Az alsó áramlásisebesség-zónában a megengedett legnagyobb hiba a hőmérséklettől függetlenül ±5%.
  • A felső áramlásisebesség-zónában a megengedett legnagyobb hiba +0,1 °C és +30 °C közötti hőmérsékleten ±2%, míg +30 °C feletti hőmérsékleten ±3%.

Ultrahangos hidegvíz-áramlásmérő cső

Az Audiowell HS0014-000 ultrahangos áramlásérzékelője egy DN15-ös polimercsőben elhelyezett ultrahangos áramlásjeladó-párból és az ezekhez tartozó visszaverőelemekből (reflektorokból) áll. Az eszközt az áthaladási idő mérésén alapuló intelligens vízmérőkben való használatra szánták (2. ábra). Az eszköz jellemzői: kis nyomásesés, nagy megbízhatóság és ±2,5%-os pontosság. Az áramlásérzékelő névleges üzemi hőmérséklete +0,1 °C – +50 °C, a legnagyobb bemenőjele 1 MHz-en 5 Vpp (csúcstól csúcsig mért érték), és az OIML szabványok szerinti 2. osztályú lakossági berendezésekben használható.

2. ábra: A HS0014-000 ultrahangos áramlásérzékelő egy polimercsőben elhelyezett ultrahangos áramlásjeladó-párt tartalmaz (kép: Audiowell)

A Texas Instruments (TI) egy olyan IC-triót kínál, amelyet a tervezők az áthaladási idő mérésén alapuló ultrahangos vízmérőkben használhatnak a HS0014-000 áramlásérzékelővel együtt. A TDC1000 egy minden szükséges elemet tartalmazó (más szóval teljesen integrált) analóg bemeneti egység ultrahangos érzékelővel végzett mérésekhez. Programozható és beállítható 31,25 kHz és 4 MHz között működő jeladókhoz alkalmas többféle átviteli impulzus, frekvencia, jelküszöb és erősítés használatára, változó jósági tényezőkkel (Q). A TDC1000 üzemmódjai kis fogyasztásúak, ezért alkalmasak az elemről vagy akkumulátorról működő, az áthaladási idő mérésén alapuló intelligens ultrahangos áramlásmérőkben való használathoz.

3. ábra: A TDC1000 egy minden szükséges elemet tartalmazó (más szóval teljesen integrált) analóg bemeneti egység, amely az áthaladási idő mérésén alapuló intelligens vízmérőkben használható a HS0014-000 áramlásérzékelővel együtt (kép: Texas Instruments)

A TI másik kapcsolódó IC-je a TDC7200, amely egy idődigitalizálót (TDC) és egy billiomod másodperc (pikoszekundum, ps) pontosságú stopperórát tartalmaz (4. ábra). Az eszközben található egy belső, önkalibráló időbázis, amely billiomod másodperces átalakítási pontosságra képes, és lehetővé teszi a kis áramlási sebességek és áramlás nélküli körülmények pontos mérését. Ezenkívül az önálló, több ciklust átfogó átlagolási üzemmód használható arra, hogy a fő mikrovezérlő energiamegtakarítás céljából alvó üzemmódba lépjen, és csak akkor éledjen fel, amikor a TDC7200 teljesen végrehajtotta a mérési sorrendet.

4. ábra: A TDC7200 idődigitalizáló (TDC) IC és billiomod másodperc (pikoszekundum, ps) pontosságú stopperóra a TDC1000 analóg bemeneti egységgel való együttműködésre készült (kép: Texas Instruments)

A TI kínálatában szerepel ezenfelül az MSP430FR6047 IC is, amely egy rendkívül kis fogyasztású mikrovezérlő, a pontos mérések érdekében egy beépített ultrahangos érzékelőjű analóg bemeneti egységgel ellátva. Az eszköz tartalmaz egy kis fogyasztású gyorsítót a jelfeldolgozáshoz, amely lehetővé teszi a tervezők számára a fogyasztás optimalizálását az elem vagy akkumulátor üzemidejének növelése érdekében. Az MSP430FR600x mikrovezérlők számos olyan perifériát is tartalmaznak, amelyek hasznosak az intelligens fogyasztásmérő rendszerek kialakításához. Ezek a következők:

• LCD-meghajtó
• valós idejű óra (RTC)
• 12 bites sorozatos közelítéses regiszterű (SAR) analóg-digitális átalakító (ADC)
• analóg komparátor
• titkosításgyorsító AES256 titkosításhoz
• ciklikus redundancia-ellenőrző (CRC) modul

Fejlesztőkártya ultrahangos mérőkhöz

A fejlesztési folyamat felgyorsítása és a piacra kerülési idő csökkentése érdekében a tervezők az EVM430-FR6047 fejlesztőkártya segítségével értékelhetik az intelligens vízmérőkben az ultrahangos érzékeléshez használt MSP430FR6047 mikrovezérlők teljesítményét (5. ábra). A fejlesztőkártya az 50 kHz-től 2,5 MHz-ig terjedő tartományban támogat különböző jelátalakítókat, és tartalmaz egy beépített LCD kijelzőt a mért értékek megjelenítéséhez, valamint csatlakozókat a rádiós kommunikációs modulokkal való összeépítéshez.

5. ábra: Az EVM430-FR6047 fejlesztőkártya az áthaladási idő mérésén alapuló ultrahangos érzékelőket használó vízmérőkbe szánt MSP430FR6047 mikrovezérlő teljesítményének értékelésére szolgál (kép: Texas Instruments)

Kiegészítő alkatrészek

A Silicon Laboratories EFR32FG22 vezeték nélküli egykártyás rendszermodulok (SoC-k) alkotta termékcsaládja 2. sorozatának tagja, az EFR32FG22C121F512GM32 egy egy félvezetőszeleten kialakított áramkör, amely egy 38,4 MHz-es Cortex-M33-at ötvöz egy nagy teljesítményű 2,4 GHz-es rádióval és olyan beépített biztonsági funkciókkal, amelyek gyors titkosítást, biztonságos rendszerbetöltést és hibakeresési hozzáférés-szabályozást tesznek lehetővé (6. ábra). Az eszköz legfeljebb 6 dBm legnagyobb kimenőteljesítményt és –102,1 dBm (250 kb/s-es OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying, negyedfázisos eltolású fáziseltolásos kódolás)) vételi érzékenységet biztosít. Az EFR32FG22C121F512GM32 egyesíti a rendkívül kis fogyasztású adást és vételt (adás: 8,2 mA +6 dBm mellett, vétel: 3,6 mA) és a mélyalvó üzemmódban 1,2 µA-es áramfelvételt, valamint a megbízható kommunikáció és a jó hatásfok érdekében stabil rádiófrekvenciás (RF) kapcsolatot kínál az intelligens mérőkhöz és más hasonló készülékekhez.

6. ábra: Az EFR32FG22 vezeték nélküli egykártyás rendszermodulok (SoC) alkotta termékcsaládja 2. sorozatának tagjai gyors titkosítási és biztonságos rendszerbetöltési funkciókkal kiegészített 38,4 MHz-es ARM Cortex-M33 magot tartalmaznak (kép: DigiKey)

A Tadiran cég henger alakú, forrasztható lábakkal ellátott TL-5920/T (7. ábra) és normál elemcsatlakozójú TL-5920/S típusú lítium-tionil-klorid (LiSOCl2) elemei különösen alkalmasak intelligens víz-, gáz- és áramfogyasztás-mérőkben való használatra. Ezeknek az elsődleges elemeknek a névleges kapacitása 2 V kapocsfeszültségig (V) 3 mA-es terheléssel kisütve 8,5 Ah, névleges feszültségük 3,6 V, legnagyobb folyamatos áramterhelhetőségük 230 mA, legnagyobb impulzusszerű áramterhelhetőségük 400 mA, üzemi hőmérséklet-tartományuk pedig –55 °C – +85 °C. Ezek az elemek 20–30 évig is eltarthatnak – ugyanannyi ideig, mint maga a mérőműszer – anélkül, hogy drága elemcserére lenne szükség.

7. ábra: Az olyan LiSOCl2 elemek, mint a TL-5920/T, akár 30 évig is eltarthatnak, és remekül használhatók intelligens mérőberendezésekben (kép: DigiKey)

A pontosság javítása

Az áthaladási idő mérésén alapuló ultrahangos vízmérők pontosságának javítására kompenzálási technikákat, kalibrálást és impedanciaillesztést lehet használni:

• Az áthaladási idő mérésén alapuló ultrahangos mérők mérési pontosságát a hangsebesség állandóságának mértéke, valamint a jelfeldolgozó elektronika pontossága korlátozza. A hangsebesség a sűrűség és a hőmérséklet függvényében változhat. A hangsebesség változásainak, valamint a jelfeldolgozó áramkörökben bekövetkező esetleges változásoknak a kalibrálásához és helyesbítéséhez kompenzálást kell használni.

• Az áthaladási idő mérésén alapuló ultrahangos mérőket általában szárazon kalibrálják a gyárban. A kalibrációs paraméterek közé tartozhatnak a jelátalakítók, az elektronika és a kábelek okozta időbeli késések, az egyes akusztikai útvonalak esetében az áthaladási idő eltérése miatti eltolódás (ΔToF-offset) miatt szükséges minden helyesbítés, valamint a kialakítástól függő geometriai paraméterek. A gyári kalibrálás kis áramlási sebesség esetén és áramlás nélküli körülmények között javíthatja a pontosságot, nagy áramlási sebesség esetén pedig nem szabad azt befolyásolnia.

• Hogy az áthaladási idő eltérése miatti eltolódást (ΔToF-offset) statikus áramlási körülmények között minimálisra csökkentsük vagy kiküszöböljük, nagymértékben szimmetrikus küldési és vételi jelútvonalpárra van szükség. Az egyes útvonalak impedanciájának szabályozására valamiféle impedanciaillesztést lehet használni. Ez leegyszerűsíti az áthaladási idő eltérése miatti eltolódás kalibrálását, és nulla áramlásnál az üzemi nyomás- és hőmérséklet-tartományban mindössze a hiba nagyon kismértékű elvándorlását eredményezi, még akkor is, ha a jelátalakítók nem illeszkednek tökéletesen egymáshoz.

Összegzés

Az áthaladási idő mérésén alapuló ultrahangos intelligens vízmérők egyre nagyobb piaci részesedést nyernek a lakossági, ipari és kereskedelmi berendezésekben, hogy segítsenek azonosítani és behatárolni a vízelosztó rendszerekben keletkező szivárgásokat, és a víztakarékosság javításához szükséges adatokkal lássák el a felhasználókat. A piezoelektromos jelátalakítók két sorozat ultrahangimpulzust hoznak létre, amelyeket az eszköz ellentétes irányban küld át az áramló vízen. Az áramlással azonos irányba és az áramlással szembe küldött impulzusok áthaladási ideje közötti különbség szolgál a víz áramlási sebességének mérésére, és kétirányú áramlásmérést lehet vele megvalósítani. Ezek a mérők nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, így rendkívül megbízhatóak és energiatakarékosak. Az OIML nemzetközi szabványokat állapított meg a vízmérők megengedett legnagyobb hibaszintjeinek osztályozására. A mérők pontosságának javítására kompenzálási technikákat, kalibrálást és impedanciaillesztést lehet használni.