Utiliser la détection à ultrasons dans les compteurs d'eau intelligents

L'extension et l'amélioration des compteurs d'eau intelligents sont des éléments essentiels d'une gestion efficace de l'eau. Les compteurs permettent d'identifier et de localiser les fuites dans les systèmes de distribution d'eau et peuvent aider les utilisateurs à améliorer la conservation de l'eau en cas de sécheresse ou d'autres limitations de l'approvisionnement en eau. L'adoption des technologies de débitmètres à ultrasons se généralise dans les secteurs industriels, commerciaux et résidentiels. Ces compteurs offrent plusieurs avantages par rapport aux compteurs d'eau mécaniques traditionnels : ils ne comportent pas de pièces mobiles ce qui réduit la maintenance et maximise la fiabilité, ils présentent une basse consommation et leur batterie peut durer plusieurs années, ils offrent une haute précision et ils peuvent être conçus pour prendre en charge les mesures bidirectionnelles.

Cet article décrit le fonctionnement et l'intégration des capteurs de débit à ultrasons dans les compteurs d'eau intelligents et passe brièvement en revue les normes internationales relatives à la précision des compteurs résidentiels. Il présente ensuite des exemples de composants pouvant être utilisés dans ces compteurs, notamment un assemblage de capteurs à ultrasons d'Audiowell, des circuits d'entrée analogiques (AFE) et de convertisseur temps-numérique (TDC), un microcontrôleur (MCU) et une carte d'évaluation de Texas Instruments, ainsi que des composants de support, y compris un émetteur-récepteur RF avec démarrage sécurisé de Silicon Labs et une batterie primaire longue durée de Tadiran. Il conclut par quelques suggestions pour améliorer la précision des débitmètres à ultrasons.

Un débitmètre à ultrasons à temps de transit typique comprend deux transducteurs piézoélectriques pour générer deux séries d'impulsions ultrasonores envoyées dans des directions opposées à travers l'eau qui s'écoule. La différence de temps de vol (ToF, ou temps de trajet) entre les impulsions en aval et en amont est utilisée pour mesurer le débit de l'eau. Les autres blocs fonctionnels sont les suivants (Figure 1) :

• Un miroir acoustique pour chacun des transducteurs piézoélectriques
• Un circuit intégré ToF de transit, qui se compose souvent de deux circuits intégrés, un circuit d'entrée analogique pour l'interface avec les transducteurs et un chronomètre séparé d'une précision de l'ordre de la picoseconde pour mesurer le temps de vol
• Un microcontrôleur pour calculer le débit et permettre la connexion au circuit intégré de communication et à un écran optionnel
• Une batterie longue durée ou une autre source d'alimentation (non illustrée)

Figure 1 : Deux séries d'impulsions ultrasonores sont envoyées dans des directions opposées. La différence de temps de vol (temps de trajet) entre les impulsions en aval (bleu) et en amont (rouge) est utilisée pour mesurer le débit de l'eau. (Source de l'image : Audiowell)

Au début de chaque impulsion ultrasonore, un signal de départ est généré pour marquer le début de la mesure ToF. Lorsque l'impulsion atteint le récepteur, un signal d'arrêt est généré, et l'intervalle entre le départ et l'arrêt est utilisé pour déterminer le temps de vol sur la base d'une fonction de chronomètre. S'il n'y a pas d'écoulement d'eau, les mesures de temps de transit seront identiques. Dans des conditions normales d'écoulement, l'onde en amont se déplace plus lentement que l'onde en aval. Si l'eau s'écoule dans le sens inverse, les vitesses de trajet des ondes seront inversées par rapport aux capteurs.

Normes relatives à l'exactitude des compteurs résidentiels

Les débitmètres destinés aux applications résidentielles doivent être conçus pour répondre à diverses normes. Par exemple, les exigences métrologiques relatives aux erreurs maximales tolérées (MPE) pour les compteurs d'eau sont définies par l'Organisation internationale de métrologie légale (OIML) par une série de valeurs appelées Q1, Q2, Q3 et Q4 (Tableau 1).

Tableau 1 : Les normes OIML pour les erreurs maximales tolérées des compteurs d'eau résidentiels sont basées sur une série de quatre zones de débit. (Source du tableau : Texas Instruments)

La valeur numérique de Q3 désigne un compteur d'eau en mètres cubes par heure (m³/h) et le rapport Q3/Q1. La valeur de Q3 et le rapport Q3/Q1 se trouvent dans les listes incluses dans les normes OIML. Les compteurs d'eau sont définis comme étant de classe 1 ou de classe 2 en fonction des erreurs maximales tolérées :

• Compteurs de classe 1
  • L'erreur maximale tolérée pour la zone de débit inférieure, entre Q1 et Q2, est de ±3 %, quelle que soit la température.
  • L'erreur maximale tolérée pour la zone de débit supérieure, entre Q2 et Q4, est de ±1 % pour des températures de 0,1°C à +30°C, et de ±2 % pour des températures supérieures à +30°C.
• Compteurs de classe 2
  • L'erreur maximale tolérée pour la zone de débit inférieure est de ±5 %, quelle que soit la température.
  • L'erreur maximale tolérée pour la zone de débit supérieure est de ±2 % pour des températures de 0,1°C à +30°C, et de ±3 % pour des températures supérieures à +30°C.

Tube d'écoulement d'eau froide à ultrasons

Le capteur de débit à ultrasons HS0014-000 d'Audiowell se compose de deux transducteurs de débit à ultrasons et des réflecteurs correspondants dans un tuyau en polymère DN15 que les concepteurs peuvent utiliser dans les compteurs d'eau intelligents ToF (Figure 2). Il présente une faible perte de pression, une haute fiabilité et une précision de ±2,5 %. Il est répertorié pour un fonctionnement de 0,1°C à +50°C et fonctionne avec une entrée maximum de 5 volts (V) crête-à-crête à 1 MHz. Il est conçu pour être utilisé dans les applications résidentielles de classe 2 telles que définies dans les normes OIML.

Figure 2 : Le capteur de débit à ultrasons HS0014-000 inclut deux transducteurs de débit à ultrasons dans un tuyau en polymère. (Source de l'image : Audiowell)

Texas Instruments (TI) propose un trio de circuits intégrés que les concepteurs peuvent utiliser avec le HS0014-000 dans les compteurs d'eau ToF à ultrasons. Le TDC1000 est un circuit d'entrée analogique entièrement intégré pour les mesures de détection à ultrasons. Il est programmable et peut être configuré pour de multiples impulsions d'émission, fréquences, seuils de signal et gains adaptés aux transducteurs fonctionnant de 31,25 kilohertz (kHz) à 4 mégahertz (MHz), avec des facteurs de qualité (Q) variables. Le TDC1000 est doté de modes de fonctionnement basse consommation convenant aux conceptions de débitmètres ToF à ultrasons intelligents alimentés par batterie.

Figure 3 : Le TDC1000 est un circuit d'entrée analogique entièrement intégré qui peut être associé au HS0014-000 dans les conceptions de compteurs d'eau intelligents ToF. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le deuxième circuit intégré de TI est le TDC7200, un convertisseur temps-numérique et chronomètre offrant une précision de l'ordre de la picoseconde (Figure 4). Ce dispositif présente une base de temps auto-étalonnée interne qui permet une précision de conversion en picosecondes et prend en charge des mesures précises en conditions de faible débit et d'absence de débit. De plus, le mode de moyennage multicycle autonome peut être utilisé pour permettre au microcontrôleur hôte de passer en mode veille afin d'économiser de l'énergie, le microcontrôleur ne s'activant que lorsque la séquence de mesure a été achevée par le TDC7200.

Figure 4 : Le TDC/chronomètre offrant une précision de l'ordre de la picoseconde TDC7200 est conçu pour fonctionner avec le circuit d'entre analogique TDC1000. (Source de l'image : Texas Instruments)

TI propose également le MSP430FR6047, un microcontrôleur ultrabasse consommation avec un circuit d'entrée analogique de détection à ultrasons intégré, pour des mesures précises et exactes. Ce dispositif inclut un accélérateur basse consommation pour le traitement des signaux, permettant aux concepteurs d'optimiser la consommation d'énergie pour étendre la durée de vie des batteries. Les microcontrôleurs MSP430FR600x intègrent également plusieurs périphériques utiles pour les conceptions de compteurs intelligents, notamment :

• Circuit d'attaque LCD
• Horloge temps réel (RTC)
• Convertisseur analogique-numérique (CAN) à registre d'approximations successives (SAR) 12 bits
• Comparateur analogique
• Accélérateur de chiffrement pour AES256
• Un module de contrôle par redondance cyclique (CRC)

Carte d'évaluation de compteur à ultrasons

Pour accélérer le processus de développement et réduire les délais de commercialisation, les concepteurs peuvent utiliser l'EVM430-FR6047 pour évaluer les performances des microcontrôleurs MSP430FR6047 pour la détection à ultrasons dans les compteurs d'eau intelligents (Figure 5). L'EVM prend en charge une variété de transducteurs s'étendant de 50 kHz à 2,5 MHz, et inclut un écran LCD embarqué pour afficher les mesures et des connecteurs pour intégrer des modules de communication RF.

Figure 5 : L'EVM430-FR6047 peut être utilisé pour évaluer les performances du MSP430FR6047 dans la détection ToF à ultrasons des compteurs d'eau. (Source de l'image : Texas Instruments)

Composants de support

Les SoC sans fil EFR32FG22 série 2 EFR32FG22C121F512GM32 de Silicon Laboratories offrent une solution monopuce combinant un cœur Cortex-M33 38,4 MHz avec une radio 2,4 Gigahertz (GHz) hautes performances et des fonctionnalités de sécurité intégrées qui fournissent un chiffrement rapide, un démarrage sécurisé et un contrôle d'accès de débogage (Figure 6). Ce dispositif a une puissance de sortie maximum de 6 dBm et une sensibilité de réception de -102,1 (250 Kb/s OQPSK) dBm. L'EFR32FG22C121F512GM32 offre une puissance d'émission et de réception ultrafaible (8,2 milliampères (mA) en émission à +6 dBm, 3,6 mA en réception) et une puissance de 1,2 microampère (µA) en mode de veille profonde, et fournit une liaison radiofréquence (RF) robuste pour des communications fiables et un rendement énergétique élevé pour les compteurs intelligents et les applications similaires.

Figure 6 : Les SoC sans fil EFR32FG22 série 2 incluent un cœur ARM Cortex-M33 38,4 MHz avec des fonctions de chiffrement rapide et de démarrage sécurisé. (Source de l'image : DigiKey)

Les batteries lithium-chlorure de thionyle (LiSOCl2) de type bobine, comme la batterie TL-5920/T avec languettes à souder (Figure 7) et la batterie TL-5920/S avec connexions standard de Tadiran, conviennent particulièrement à une utilisation dans les compteurs intelligents d'eau, de gaz et d'électricité. Ces batteries primaires ont une capacité nominale de 8,5 ampères-heures (Ah) lorsqu'elles sont déchargées à un taux de 3 mA à une tension aux bornes de 2 V, une tension nominale de 3,6 V, un courant nominal continu maximum de 230 mA, un courant nominal pulsé maximum de 400 mA, et une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +85°C. Ces batteries peuvent durer de 20 à 30 ans — aussi longtemps que le compteur — sans qu'il ne soit nécessaire de les remplacer à grands frais.

Figure 7 : Les batteries LiSOCl2 comme la TL-5920/T peuvent durer jusqu'à 30 ans et sont bien adaptées aux applications de compteurs intelligents. (Source de l'image : DigiKey)

Améliorer la précision

Les techniques de compensation, d'étalonnage et d'adaptation d'impédance peuvent être utilisées pour améliorer la précision des compteurs d'eau ToF à ultrasons :

• L'exactitude de mesure des compteurs ToF à ultrasons est limitée par le degré de constance de la vitesse du son, ainsi que par la précision de l'électronique de traitement des signaux. La vitesse du son peut varier en fonction de la densité et de la température. Une compensation doit être ajoutée pour étalonner et ajuster les changements de la vitesse du son et les variations dans les circuits de traitement des signaux.

• Les compteurs ToF à ultrasons sont généralement étalonnés à sec en usine. Les paramètres d'étalonnage peuvent inclure les retards dus aux transducteurs, à l'électronique et aux câbles, toute correction nécessaire du décalage ΔToF pour chaque chemin acoustique, et les paramètres géométriques dépendant de la conception. L'étalonnage en usine peut améliorer l'exactitude en conditions de faible débit ou d'absence de débit et ne devrait pas affecter l'exactitude en conditions de débit élevé.

• Une paire hautement symétrique de chemins de signaux d'émission et de réception est nécessaire pour minimiser ou éliminer le décalage ΔToF en conditions de débit statique. Une solution d'adaptation d'impédance peut être utilisée pour contrôler les impédances de chaque chemin. Cela simplifie l'étalonnage ΔToF et se traduit par une très faible dérive de l'erreur à débit nul sur les plages de pressions et de températures opérationnelles, même si les transducteurs ne sont pas parfaitement adaptés.

Résumé

Les compteurs intelligents ToF à ultrasons gagnent des parts de marché dans les applications résidentielles, industrielles et commerciales pour aider à identifier et localiser les fuites dans les systèmes de distribution d'eau et fournir aux utilisateurs les informations nécessaires pour améliorer la conservation de l'eau. Des transducteurs piézoélectriques sont utilisés pour générer deux séries d'impulsions ultrasonores qui sont envoyées dans des directions opposées dans l'eau qui s'écoule. La différence ToF entre les impulsions en aval et en amont est utilisée pour mesurer le débit de l'eau, et des mesures de débit bidirectionnelles peuvent être prises en charge. Ces compteurs n'ont pas de pièces mobiles, ce qui les rend très fiables et écoénergétiques. L'OIML a établi des normes internationales pour la classification des niveaux MPE des compteurs d'eau. Des techniques de compensation, d'étalonnage et d'adaptation d'impédance peuvent être utilisées pour améliorer l'exactitude de ces compteurs.