Die Statistiken sind alarmierend: Allein in den Vereinigten Staaten verschwenden Haushaltslecks jedes Jahr etwa 900 Milliarden Gallonen Wasser. Um diese Zahl ins rechte Licht zu rücken, das ist genug Wasser, um jährlich etwa 11 Millionen Haushalte zu versorgen. Andere Länder - von Europa bis Asien - stehen vor ähnlichen Herausforderungen. Dieses Problem wird durch Wasserknappheit verschärft.
Aber Hilfe ist hier. Mit der Ultraschalltechnologie können in intelligenten Gebäuden und intelligenten Städten installierte Wasserzähler Leckagen erkennen und lokalisieren, die alle paar Sekunden nur einen Tropfen betragen. Städte von Austin bis Antwerpen installieren intelligente High-Tech-Wasserzähler, die Kunden die Informationen liefern, die sie benötigen, um Lecks zu finden und Wasser zu sparen, und Versorgungsunternehmen dabei helfen, Infrastrukturlecks in alternden Rohren und defekten Wasserleitungen zu erkennen.
„Das Wasser, das wir heute haben, ist das einzige Wasser, das wir jemals haben werden“, sagt Holly Holt-Torres, Wasserschutzmanagerin bei den City of Dallas Water Utilities. „Wir müssen es bewahren. Die Technologie wird es uns ermöglichen, dies auf einem immer höheren Niveau zu tun. “
Diese Ultraschalltechnologie hat jedoch Anwendungen, die über Wasserzähler hinausgehen. Dieselbe Technologie kann in Messgeräten verwendet werden, die den Erdgasfluss messen und sogar das durch Rohre fließende Gasgemisch erfassen. Es kann sogar Medizinern helfen, die Sauerstoffzufuhr in chirurgischen Geräten zu regulieren.
Mit dem "Flow" gehen
Ultraschallwellen sind natürlich nicht neu. Fledermäuse verwenden beispielsweise Ultraschall, um Hindernissen auszuweichen und nachts Insekten zu fangen. In High-Tech-Anwendungen wird es zur Materialunterscheidung, Kollisionsvermeidung in Kraftfahrzeugen sowie zur industriellen und medizinischen Bildgebung eingesetzt.
Jetzt wird es in Wasserzählern und anderen Durchflussmessern verwendet. Zähler haben sich traditionell auf ein elektromechanisches System mit einer Drehspindel oder einem Zahnrad verlassen, das ein magnetisches Element zur Erzeugung von Impulsen verwendet. Aber - wie es bei Thermostaten, Motoren und vielen anderen alltäglichen Geräten der Fall ist - wechseln elektromechanische Systeme in Durchflussmessern schnell zu elektronischen Systemen.
In diesen Systemen misst ein Paar immersiver Ultraschallwandler die Geschwindigkeit von Schallwellen in der Flüssigkeit. Die Geschwindigkeit der Schallwellenausbreitung ist eine Funktion der Viskosität, der Durchflussrate und der Richtung des durch das Rohr fließenden Fluids. Ultraschallwellen bewegen sich je nach Steifheit der Medien, durch die sie laufen, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Die Genauigkeit der Messung hängt von der Qualität des Wandlers, der präzisen analogen Schaltung und den Signalverarbeitungsalgorithmen ab. Akustische oder Ultraschallwandler sind Piezomaterialien, die elektrische Signale mit einer relativ hohen Frequenz von Hunderten von Kilohertz in mechanische Schwingungen umwandeln. Typischerweise muss ein Paar Ultraschallwandler im Bereich von 1 bis 2 MHz gut abgestimmt und kalibriert sein, um den Durchfluss genau zu messen. Sie machen einen erheblichen Teil der Kosten des Durchflussmessers aus. Das Sensorsystem muss mit sehr geringer Leistung betrieben werden, um eine Batterielebensdauer von 15 bis 20 Jahren zu gewährleisten.
Der fortschrittliche Durchflussmesschip unseres Unternehmens, der MSP430FR6043, enthält ein einzigartiges analoges Front-End und einen Algorithmus, die die Genauigkeit erheblich verbessern und gleichzeitig die Gesamtkosten und den Stromverbrauch senken. Unsere Durchflussmessarchitektur nutzt leistungsstarkes analoges Design, fortschrittliche Algorithmen und eingebettete Verarbeitung, um die Notwendigkeit eines teuren Paares von Ultraschallwandlern zu verringern. Analoge Front-End- und Signalverarbeitungsalgorithmen kompensieren die Fehlanpassung des Wandlers.
Jeder Tropfen zählt
Ein typischer Ultraschall-Durchflussmesser sendet eine Ultraschallwelle und misst die Differenzverzögerung am Empfänger, um die Durchflussrate abzuschätzen. Verzögerungsmessungen werden normalerweise von einer Zeit-zu-Digital-Wandler-Schaltung durchgeführt, die den Nulldurchgang der empfangenen Wellenform überwacht. Die Herausforderung bei dem typischen Ansatz besteht darin, dass er nicht empfindlich genug ist, um Durchflussmengen mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Unsere Architektur verwendet ein intelligentes analoges Frontend mit einem leistungsstarken Analog-Digital-Wandler, um die Signal-Rausch-Qualität zu verbessern und Ungenauigkeiten bei der Kalibrierung zu überwinden. Dieser Ansatz hat mehrere Vorteile:
- Es kann eine höhere Genauigkeit erzielen, indem Interferenzen reduziert und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
- Die Architektur kann einen weiten dynamischen Strömungsbereich messen, von einem Feuerwehrschlauch bis zu einem kleinen Leck.
- Durch die Verwendung eines Treibers mit niedrigerer Spannung werden Strom und Kosten erheblich gespart. Der durchschnittliche Strom für eine Messung pro Sekunde beträgt weniger als 3 Mikroampere. Dies entspricht einer Akkulaufzeit von mehr als 15 Jahren.
- Es kann Turbulenzen, Blasen und andere Strömungsanomalien erkennen, was für die Strömungsanalyse und die Wartung der Rohrleitungen wichtig ist.
- Die Technologie ist robust gegenüber Amplitudenschwankungen in den beiden Strömungsrichtungen, die in Wasser und Gas bei höheren Strömungsraten auftreten können.
Viele andere TI-Technologien sind für einen Hochleistungs-Durchflussmesser von entscheidender Bedeutung. Ein Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch, integriertem analogem Ultraschall-Frontend, einer Hochleistungstaktreferenz, einem Energiemanagement im Ruhezustand und einer äußerst genauen Impedanzanpassung der Sende- und Empfangsverstärkerpfade sind Beispiele für zusätzliche Differenzierungstechnologien in diesen Durchflussmessern.
Zusammen können diese Technologien dazu beitragen, eine unserer wertvollsten Ressourcen zu schonen.