V článku nalezneme popis integrace ultrazvukového průtokoměru do chytrého vodoměru, a které mezinárodní standardy je nutné splnit. Dále uvádí příklady komponent vhodných pro použití v těchto měřičích, včetně sestavy ultrazvukového senzoru od Audiowellu, integrovaného analogového frontendu (AFE), vhodného mikrokontroleru a příslušné vývojové desky od Texas Instruments. Nesmí chybět RF transceiver s bezpečným spouštěním od Silicon Labs a baterie s dlouhou životností od Tadiranu. V závěru jsou uvedeny některé kroky, které vedou k ještě větší přesnosti ultrazvukového průtokoměru.

Typický ultrazvukový průtokoměr obsahuje dva piezoelektrické měniče, které generují dvě série ultrazvukových impulsů vysílaných v opačných směrech. Z rozdílu doby (ToF – Time of Fly) mezi pulzy po proudu a proti proudu lze stanovit hodnotu průtoku vody.

Funkční bloky chtrého vodoměru:

• Akustické zrcadlo pro každý z piezoelektrický měnič
• Tranzitní ToF IC, to se často skládá ze dvou integrovaných obvodů, analogového frontendu pro rozhraní s převodníky a samostatných pikosekundových přesných hodin (stopek) pro měření ToF
• Mikrokontroler pro výpočet průtoku a propojení s komunikačním IC a volitelný displej
• Baterie s dlouhou životností nebo jiný zdroj energie (není na obrázku znázorněno)

Obrázek 1: Dvě série ultrazvukových pulzů jsou vysílány v opačných směrech. Rozdíl doby mezi pulzy po proudu (modrá) a proti proudu (červená) se používá k výpočtu průtoku vody. (Zdroj obrázku: Audiowell)

Na začátku každého ultrazvukového pulzu je generován „start“ signál, který označuje začátek měření ToF. Když puls dosáhne přijímače, je generován signál „stop“ a interval mezi „start“ a „stop“ se používá k určení ToF na základě přesného měření času. Když neteče žádná voda, jsou časy obou měření totožné. Za normálních podmínek proudění se vlna proti proudu bude pohybovat pomaleji než vlna po proudu.

Normy pro přesnost bytových vodoměrů

Průtokoměry určené pro bytové aplikace musí být navrženy tak, aby splňovaly příslušné normy. Například požadavky na největší dovolenou chybu (MPE) vodoměrů definuje Mezinárodní organizace pro legální metrologii (OIML) řadou hodnot označených jako Q1, Q2, Q3 a Q4.

Norma OIML pro bytové vodoměry definují čtyři kategorie průtoku:

• Q1 - Nejnižší průtok, při kterém má měřidlo pracovat v rámci maximálních dovolených chyb.
• Q2 - Průtok mezi stálým průtokem a minimálním průtokem, který rozděluje rozsah průtoku na dvě oblasti, horní oblast průtoku a dolní oblast průtoku, z nichž každá je charakterizována svými vlastními maximálními povolenými chybami.
• Q3 - Nejvyšší průtok v rámci jmenovitého provozního stavu, při kterém má měřidlo pracovat v rámci maximálních dovolených chyb.
• Q4 - Nejvyšší průtok, při kterém má měřidlo krátkodobě pracovat v rámci maximálních dovolených chyb, při zachování své metrologické výkonnosti při provozu v rámci jmenovitých provozních podmínek.

Číselná hodnota v kategorii Q3 označuje metry krychlové za hodinu (m³/h). Hodnota Q3 a poměr Q3/Q1 jsou uvedeny v seznamech obsažených v normách OIML. Vodoměry jsou definovány jako třída 1 nebo třída 2 na základě největší dovolené chyby MPE:

Třída 1

• MPE pro oblast s nižším průtokem, mezi Q1 a Q2, je ±3 %, bez ohledu na teplotu.
• MPE pro horní oblast průtoku mezi Q2 a Q4 je ±1% pro teploty od 0,1 do +30°C a ±2% pro teploty vyšší než +30°C.

Třída 2

• MPE pro oblast nižšího průtoku je ±5 %, bez ohledu na teplotu.
• MPE pro horní oblast průtoku je ±2% pro teploty od 0,1 do +30°C a ±3% pro teploty vyšší než +30°C.

Ultrazvuková trubice pro měření toku studené vody

Ultrazvukový snímač průtoku HS0014-000 od Audiowell se skládá z dvojice ultrazvukových snímačů průtoku a odpovídajících reflektorů v polymerovém potrubí DN15, které lze využít právě v chytrých vodoměrech (obrázek 2). Vyznačuje se nízkou tlakovou ztrátou, vysokou spolehlivostí a přesností ±2,5 %. Je dimenzován pro provoz od 0,1 do +50 °C, pracuje s napájecím napětím 5 V a je navržen pro použití v obytných aplikacích třídy 2, jak je definováno v normách OIML.

Obrázek 2: Ultrazvukový snímač průtoku HS0014-000 obsahuje pár ultrazvukových snímačů průtoku v polymerovém potrubí. (Zdroj obrázku: Audiowell)

Texas Instruments nabízí trojici integrovaných obvodů, které lze použít s ultrazvukovým snímačem průtoku HS0014-000. TDC1000 je plně integrovaný analogový frontend (AFE) určený pro ultrazvukové snímání. Lze u něj nastavit vícečetné vysílaní impulsů, jejich frekvence, prahové hodnoty signálu a zesílení pro převodníky pracující od 31,25 kHz do 4 MHz. TDC1000 disponuje několika nízkoenergetickými režimy a díky nim se prodlouží provoz snímače, než je nutné baterii vyměnit.

Obrázek 3: TDC1000 je plně integrovaný AFE (Analogový frontend), který lze spárovat s inteligentním ultrazvukovým snímačem průtoku HS0014-000. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Druhý integrovaný obvod od TI jsou pikosekundové přesné stopky TDC7200 (obrázek 4). Tyto stopky obsahují samokalibrovanou časovou základnu, která umožňuje přesná měření i za velmi malého průtoku. Kromě toho lze využít režim autonomního vícecyklového průměrování, který uleví hostitelskému MCU a ten může vstoupit do režimu spánku, aby se šetřila energie.

Obrázek 4: Stopky TDC7200 s přesností na pikosekundy jsou navrženy pro spolupráci s TDC1000 AFE. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Třetím integrovaným obvodem je mikrokontroler MSP430FR6047 s velmi nízkou spotřebou a integrovaným analogovým rozhraním určeným přímo pro ultrazvukové snímání. Součástí mikrokontroleru je nízkoenergetický akcelerátor pro zpracování signálu, který umožňuje optimalizovat spotřebu energie a prodloužit životnost baterie. MSP430FR600x obsahuje několik periferií, které se uplatní v návrhu inteligentního měření:

• LCD ovladač
• Hodiny reálného času (RTC)
• 12bitový analogově-digitální převodník (ADC) pro postupný aproximační registr (SAR)
• Analogový komparátor
• Akcelerátor šifrování pro AES256
• Modul pro kontrolu CRC

Vývojová deska pro připojení ultrazvukový měřič

Pro urychlení procesu vývoje a zkrácení doby uvedení na trh lze využít vývojovou desku EVM430-FR6047 k vyhodnocení výkonu mikrokontroleru MSP430FR6047 MCU v aplikaci ultrazvukového snímání průtoku (obrázek 5). Tato deska má zabudovaný LCD displej pro zobrazení aktuální naměřené hodnoty průtoku a konektory pro integraci RF komunikačních modulů.

Obrázek 5: EVM430-FR6047 lze použít k vyhodnocení výkonu MSP430FR6047 v aplikaci ultrazvukového snímání průtoku. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Podpůrné komponenty

Bezdrátové SoC EFR32FG22C121F512GM32 Series 2 od Silicon Laboratories je řešení, které kombinuje 38,4 MHz Cortex-M33 s vysoce výkonným 2,4 GHz rádiem a integrovanými bezpečnostními funkcemi, které poskytují rychlé a bezpečné bootování a ladění (obrázek 6). Toto SoC má maximální výstupní výkon 6 dBm a citlivost příjmu -102,1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. EFR32FG22C121F512GM32 nabízí extrémně nízkou spotřebu při vysílání a příjem. 8,2 mA při vysílání +6 dBm a 3,6 mA pro příjem. V hlubokém spánku jeho spotřeba klesne až k hodnotě 1,2 µA.

Obrázek 6: Bezdrátové SoC EFR32FG22 Series 2 obsahuje 38,4 MHz jádro ARM Cortex-M33 s rychlým šifrováním a funkcemi bezpečného spouštění. (Zdroj obrázku: Digi-Key)

Zvýšení přesnosti

Kompenzace, kalibrace a impedanční přizpůsobení lze použít ke zlepšení přesnosti ultrazvukových vodoměrů na principu ToF:

• Přesnost měření v ultrazvukových měřičích ToF je ovlivněna rychlostí zvuku a také přesností elektroniky pro zpracování signálu. Rychlost zvuku se může měnit s hustotou a teplotou. Proto je vhodné přidat kompenzační mechanismy, které tyto negativní vlivy eliminuje.
• Ultrazvukové měřiče ToF jsou obvykle zkalibrovány za sucha v továrně. Kalibrační parametry by měli obsahovat časová zpoždění způsobená převodníky, elektronikou a kabely. Dále by měli obsahovat korekci offsetu ΔToF pro každou akustickou cestu.
• Pro minimalizaci nebo odstranění ΔToF offsetu je zapotřebí symetrický pár umístěný ve vysílací a přijímací signálové cestě. Řešení impedančního přizpůsobení lze použít k řízení impedance každé cesty. Toto řešení zjednodušuje kalibraci ΔToF a vede k velmi malému driftu chyby při nulovém průtoku v rozsahu provozního tlaku a teploty, i když snímače nejsou dokonale sladěny.

Závěr

Inteligentní vodoměry s ultrazvukovým měřením zvětšují svůj podíl na trhu v rezidenčních, průmyslových a komerčních aplikacích. Pomáhají identifikovat a lokalizovat úniky v rozvodech vody a poskytují cenné informace pro její efektivní využívání. Piezoelektrické měniče se používají ke generování ultrazvukových impulsů, které jsou vysílány v obou směrech proudící vody. Z časového rozdílu mezi impulzy po proudu a proti proudu lze stanovit velikost průtoku vody a jeho směr. Tyto měřiče nemají žádné pohyblivé části, a to je činí vysoce spolehlivými a energeticky účinnými. OIML stanovila mezinárodní standardy pro klasifikaci kategorií vodoměrů. Ke zlepšení přesnosti těchto měřičů lze použít kompenzační techniky, kalibraci a přizpůsobovací obvody.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com