Come utilizzare il rilevamento a ultrasuoni nei contatori di acqua intelligenti

L'espansione e il miglioramento della misurazione intelligente dell'acqua sono elementi essenziali per la gestione efficace dell'acqua. L'uso dei contatori aiuta a individuare e localizzare le perdite nei sistemi di distribuzione dell'acqua e può aiutare gli utenti a migliorare la conservazione dell'acqua in caso di siccità o di altre limitazioni dell'approvvigionamento idrico. La tecnologia dei flussimetri ultrasonici si sta diffondendo in ambito industriale, commerciale e residenziale. Questi contatori offrono diversi vantaggi rispetto ai tradizionali contatori meccanici per l'acqua: non hanno componenti mobili, cosa che riduce al minimo la manutenzione al contempo aumentando al massimo l'affidabilità; sono a basso consumo, quindi la batteria può durare per molti anni; offrono alta precisione e possono essere progettati per supportare misurazioni bidirezionali.

Questo articolo descrive il funzionamento e l'integrazione dei sensori di flusso a ultrasuoni nei contatori di acqua intelligenti e passa brevemente in rassegna gli standard internazionali per l'accuratezza dei contatori residenziali. Presenta poi esempi di componenti adatti all'uso in questi contatori: gruppo sensore a ultrasuoni di Audiowell, CI di conversione tempo/digitale (TDC) e front-end analogico (AFE), oltre a un'unità microcontroller (MCU) e a una scheda di valutazione di Texas Instruments, nonché componenti di "supporto" come un transceiver RF con avvio sicuro di Silicon Labs e una batteria primaria a lunga durata di Tadiran. In conclusione, l'articolo presenta alcuni suggerimenti per migliorare l'accuratezza dei flussimetri a ultrasuoni.

Un tipico flussimetro a ultrasuoni a tempo di transito comprende due trasduttori piezoelettrici per generare due serie di impulsi ultrasonici da inviare in direzioni opposte attraverso l'acqua che scorre. La differenza di tempo di volo (ToF, o tempo di viaggio) tra gli impulsi a valle e a monte viene utilizzata per misurare la portata dell'acqua. Altri blocchi funzionali includono (Figura 1):

• Uno specchio acustico per ciascuno dei trasduttori piezoelettrici
• Un CI ToF di transito, spesso composto da due circuiti integrati: un front-end analogico per l'interfacciamento con i trasduttori e un cronometro separato con precisione al picosecondo per misurare il ToF.
• Un microcontroller per calcolare il flusso e collegarsi al CI di comunicazione e a un display opzionale
• Una batteria a lunga durata o altra fonte di alimentazione (non mostrata)

Figura 1: Due serie di impulsi ultrasonici vengono inviate in direzioni opposte. La differenza di tempo di volo (tempo di viaggio) tra gli impulsi a valle (blu) e a monte (rosso) viene utilizzata per misurare la portata dell'acqua. (Immagine per gentile concessione di Audiowell)

All'inizio di ciascun impulso ultrasonico, viene generato un segnale di "start" per segnare l'inizio della misurazione ToF. Quando l'impulso raggiunge il ricevitore, viene generato un segnale di "stop" e l'intervallo tra "start" e "stop" viene utilizzato per determinare il ToF in base a una funzione cronometro. In assenza di acqua, le misurazioni del tempo di transito sono identiche. In condizioni di flusso normale, l'onda a monte viaggia più lentamente di quella a valle. Se l'acqua scorre in direzione opposta, le velocità di spostamento delle onde sono invertite rispetto ai sensori.

Standard per la precisione dei contatori residenziali

I flussimetri destinati ad applicazioni residenziali devono essere progettati in modo da soddisfare diversi standard. Ad esempio, i requisiti metrologici per l'errore massimo ammissibile (MPE) dei contatori dell'acqua sono definiti dall'Organizzazione Internazionale di Metrologia Legale (OIML) mediante una serie di valori denominati Q1, Q2, Q3 e Q4 (Tabella 1).

Tabella 1: Gli standard OIML per gli MPE dei contatori di acqua residenziali si basano su una serie di quattro zone di portata. (Tabella per gentile concessione di Texas Instruments)

Il valore numerico di Q3 designa un contatore di acqua in metri cubi all'ora (m³/h) e il rapporto Q3/Q1. Il valore di Q3 e il rapporto Q3/Q1 si trovano negli elenchi inclusi negli standard OIML. I contatori dell'acqua si definiscono di Classe 1 o Classe 2 in base agli errori massimi ammissibili (MPE):

• Contatori di Classe 1
  • L'MPE per la zona di portata inferiore, tra Q1 e Q2, è di ±3%, indipendentemente dalla temperatura.
  • L'MPE per la zona di portata superiore, tra Q2 e Q4, è di ±1% per temperature da 0,1 a +30 °C e di ±2% per temperature superiori a +30 °C.
• Contatori di Classe 2
  • L'MPE per la zona di portata inferiore è ±5%, indipendentemente dalla temperatura.
  • L'MPE per la zona di portata superiore è di ±2% per temperature da 0,1 a +30 °C e di ±3% per temperature superiori a +30 °C.

Tubo per flusso dell'acqua fredda a ultrasuoni

Il sensore di flusso a ultrasuoni HS0014-000 di Audiowell è costituito da una coppia di trasduttori di flusso a ultrasuoni e dai corrispondenti riflettori in un tubo polimerico DN15 che i progettisti possono utilizzare nei contatori di acqua intelligenti ToF (Figura 2). È caratterizzato da bassa perdita di pressione, alta affidabilità e precisione di ±2,5%. È classificato per il funzionamento da 0,1 a +50 °C, funziona con un ingresso massimo di 5 V picco-picco a 1 MHz ed è progettato per l'uso in applicazioni residenziali di Classe 2, come definito negli standard OIML.

Figura 2: Il sensore di flusso a ultrasuoni HS0014-000 comprende una coppia di trasduttori di flusso a ultrasuoni in un tubo polimerico. (Immagine per gentile concessione di Audiowell)

Texas Instruments (TI) offre un trio di circuiti integrati che i progettisti possono utilizzare con il modello HS0014-000 nei contatori di acqua ToF a ultrasuoni. TDC1000 è un AFE completamente integrato per misurazioni di rilevamento a ultrasuoni. È programmabile e può essere impostato per più impulsi di trasmissione, frequenze, soglia di segnale e guadagno adatti per trasduttori che operano da 31,25 kHz a 4 MHz, con fattori di qualità (Q) variabili. TDC1000 dispone di modalità operative a bassa potenza, adatte a progetti di flussimetri ToF a ultrasuoni intelligenti alimentati a batteria.

Figura 3: TDC1000 è un AFE a totale integrazione che può essere abbinato a HS0014-000 nei progetti di contatori di acqua intelligenti ToF. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il secondo circuito integrato di TI è TDC7200, un cronometro TDC preciso al picosecondo (Figura 4). Questo dispositivo è dotato di una base temporale interna autocalibrata che consente una precisione di conversione di picosecondi e supporta misurazioni accurate in condizioni di basso flusso e assenza di flusso. Inoltre, la modalità autonoma di calcolo della media multi-ciclo può essere utilizzata per consentire all'MCU host di entrare in modalità di sospensione per risparmiare energia, con la riattivazione dell'MCU solo quando la sequenza di misurazione è stata completata da TDC7200.

Figura 4: TDC7200 e il cronometro preciso al picosecondo sono progettati per funzionare con l'AFE TDC1000. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

TI offre anche MSP430FR6047, un MCU a bassissima potenza con un front-end analogico di rilevamento a ultrasuoni integrato per misurazioni precise e accurate. Questo dispositivo include un acceleratore a bassa energia per l'elaborazione del segnale, che consente ai progettisti di ottimizzare il consumo energetico per prolungare la durata della batteria. Gli MCU MSP430FR600x integrano anche diverse periferiche utili per i progetti di smart metering, quali:

• Driver LCD
• Clock in tempo reale (RTC)
• Convertitore analogico/digitale (ADC) con registro ad approssimazione successiva (SAR) a 12 bit
• Comparatore analogico
• Acceleratore di crittografia per AES256
• Modulo di controllo a ridondanza ciclica (CRC)

EVB per flussimetro a ultrasuoni

Per accelerare il processo di sviluppo e ridurre il tempo di immissione sul mercato, i progettisti possono utilizzare EVM430-FR6047 per valutare le prestazioni degli MCU MSP430FR6047 per il rilevamento a ultrasuoni nei contatori di acqua intelligenti (Figura 5). L'EVM supporta una varietà di trasduttori che vanno da 50 kHz a 2,5 MHz e comprende un LCD integrato per la visualizzazione delle misurazioni e connettori per l'integrazione di moduli di comunicazione RF.

Figura 5: EVM430-FR6047 può essere utilizzato per valutare le prestazioni di MSP430FR6047 nel rilevamento ToF a ultrasuoni nei contatori di acqua. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Componenti ausiliari

Il SoC wireless EFR32FG22 serie 2 EFR32FG22C121F512GM32 di Silicon Laboratories è una soluzione a die singolo che combina un Cortex-M33 a 38,4 MHz con una radio a 2,4 GHz ad alte prestazioni e caratteristiche di protezione integrate che forniscono crittografia rapida, caricamento di avvio sicuro e controllo dell'accesso per il debug (Figura 6). Questo dispositivo ha una potenza di uscita massima di 6 dBm e una sensibilità in ricezione di -102,1 dBm (250 kbps OQPSK). EFR32FG22C121F512GM32 combina bassissima potenza di trasmissione e ricezione (8,2 mA in trasmissione a +6 dBm, 3,6 mA in ricezione) e potenza di 1,2 µA in modalità di sospensione profonda e fornisce un robusto collegamento a radiofrequenza (RF) per comunicazioni affidabili e alta efficienza energetica per contatori intelligenti e applicazioni simili.

Figura 6: I SoC wireless EFR32FG22 serie 2 includono un core ARM Cortex-M33 a 38,4 MHz con funzioni di crittografia veloce e caricamento di avvio sicuro. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Le batterie di Tadiran al litio-cloruro di tionile (LiSOCl2) a bobina, come TL-5920/T con linguette di saldatura (Figura 7) e TL-5920/S con connessioni standard, sono particolarmente adatte all'uso nei contatori intelligenti di acqua, gas ed elettricità. Queste batterie primarie hanno capacità nominale di 8,5 Ah quando vengono scaricate a una velocità di 3 mA a una tensione terminale di 2 V, tensione nominale di 3,6 V, corrente massima continua di 230 mA, corrente massima impulsiva di 400 mA e temperatura di funzionamento compresa tra -55 e +85 °C. Queste batterie possono durare da 20 a 30 anni, ovvero quanto il contatore, senza richiedere la costosa sostituzione.

Figura 7: Le batterie LiSOCl2 come TL-5920/T possono durare fino a 30 anni e sono adatte alle applicazioni per contatori intelligenti. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Miglioramento della precisione

Per migliorare la precisione dei contatori di acqua ToF a ultrasuoni, è possibile utilizzare tecniche di compensazione, calibrazione e adattamento di impedenza:

• L'accuratezza di misurazione nei contatori ToF a ultrasuoni è limitata dal grado di costanza della velocità del suono e dall'accuratezza dell'elettronica di elaborazione del segnale. La velocità del suono può variare con la densità e la temperatura. È necessario aggiungere una compensazione per calibrare e regolare le variazioni della velocità del suono e qualsiasi variazione nei circuiti di elaborazione del segnale.

• I contatori ToF a ultrasuoni sono solitamente calibrati a secco in fabbrica. I parametri di calibrazione possono includere i ritardi temporali dovuti ai trasduttori, all'elettronica e ai cavi, qualsiasi correzione ΔToF-offset necessaria per ciascun percorso acustico e i parametri geometrici dipendenti dal progetto. La calibrazione di fabbrica può migliorare l'accuratezza in condizioni di basso flusso e assenza di flusso e non dovrebbe influire sull'accuratezza in condizioni di alto flusso.

• Per ridurre al minimo o eliminare del tutto il ΔToF-offset in condizioni di flusso statico, è necessaria una coppia altamente simmetrica di percorsi del segnale di trasmissione e ricezione. Per controllare le impedenze di ciascun percorso è possibile utilizzare una soluzione di adattamento di impedenza. Ciò semplifica la calibrazione del ΔToF e determina una deriva molto contenuta dell'errore a portata zero negli intervalli operativi di pressione e temperatura, anche se i trasduttori non sono perfettamente accoppiati.

Conclusione

I contatori di acqua intelligenti ToF a ultrasuoni stanno guadagnando quote di mercato nelle applicazioni residenziali, industriali e commerciali per aiutare a identificare e localizzare le perdite nei sistemi di distribuzione dell'acqua e fornire agli utenti le informazioni necessarie per migliorare la conservazione idrica. Vengono utilizzati dei trasduttori piezoelettrici per generare due serie di impulsi ultrasonici che vengono inviate in direzioni opposte attraverso l'acqua che scorre. La differenza ToF tra gli impulsi a valle e a monte viene utilizzata per misurare la portata dell'acqua e può supportare misurazioni di portata bidirezionali. Questi contatori non hanno componenti mobili e sono quindi altamente affidabili ed efficienti dal punto di vista energetico. L'OIML ha stabilito degli standard internazionali per la classificazione dei livelli di MPE per i contatori di acqua. Per migliorare la precisione di questi contatori, è possibile utilizzare tecniche di compensazione, calibrazione e adattamento di impedenza.