Statistikken er alarmerende: Bare i USA kaster husholdningslekkasjer rundt 900 milliarder liter vann hvert år. For å sette dette tallet i perspektiv, er det nok vann til å levere 11 millioner hjem årlig. Og andre land - fra Europa til Asia - står overfor lignende utfordringer. Forbindelse av dette problemet er forventet vannmangel.
Men hjelp er her. Ultralydsteknologi gir vannmålere installert i smarte bygninger og smarte byer muligheten til å oppdage og lokalisere lekkasjer så små som en dråpe hvert par sekunder. Byer fra Austin til Antwerpen installerer høyteknologiske smarte vannmålere som gir kundene den informasjonen de trenger for å finne lekkasjer og spare vann mens de hjelper verktøy med å identifisere infrastrukturlekkasjer i aldrende rør og ødelagte vannledninger.
"Vannet vi har i dag er det eneste vannet vi noensinne vil ha," sier Holly Holt-Torres, vannvernleder for City of Dallas Water Utilities. “Vi må bevare det. Teknologi vil tillate oss å gjøre det på et stadig høyere nivå. ”
Men denne ultralydsteknologien har applikasjoner som strekker seg utover vannmålere. Den samme teknologien kan brukes i målere som måler naturgassstrømning og til og med oppdager blandingen av gass som strømmer gjennom rør. Det kan til og med hjelpe medisinsk fagpersonell med å regulere oksygenlevering i kirurgisk utstyr.
Går med flyten
Ultralydbølger er selvfølgelig ikke nye. Flaggermus, for eksempel, bruker ultralyd for å unngå hindringer og fange insekter om natten. Og i mer høyteknologiske bruksområder, brukes den i materiell skjelneevne, kollisjon unngåelse i biler, og industriell og medisinsk bildebehandling.
Nå blir den brukt i vannmålere og andre strømningsmålere. Målere har tradisjonelt stolt på et elektromekanisk system med en dreiespindel eller gir som bruker et magnetisk element for å generere pulser. Men - som tilfellet er med termostater, motorer og mange andre hverdagsapparater - overgår elektromekaniske systemer i strømningsmåler raskt til elektroniske systemer.
I disse systemene måler et par nedsenkende ultralydstransdusere hastigheten på akustiske bølger i væsken. Hastigheten til akustisk bølgeutbredelse er en funksjon av viskositeten, strømningshastigheten og retningen til væsken som strømmer gjennom røret. Ultralydbølger beveger seg i forskjellige hastigheter, avhengig av stivheten til mediet de reiser gjennom.
Nøyaktigheten av målingen avhenger av kvaliteten på transduseren, presisjonsanalogkretsene og signalbehandlingsalgoritmene. Akustiske eller ultralydstransdusere er piezo-materialer som konverterer elektriske signaler til mekaniske vibrasjoner med en relativt høy frekvens på hundrevis av kilohertz. Vanligvis må et par ultralydstransdusere i området 1-2 MHz være godt tilpasset og kalibreres for å kunne måle strømningen nøyaktig. De utgjør en betydelig del av strømningsmålerens kostnad. Sensorsystemet må fungere med svært lav effekt for å sikre 15-20 års batterilevetid.
Vårt selskap avanserte strømningsmålingsbrikke, MSP430FR6043, inkluderer en unik analog frontend og algoritme, som forbedrer nøyaktigheten betydelig samtidig som den reduserer totale kostnader og strømforbruk. Vår strømningsmålingsarkitektur utnytter høyytelses analog design, avanserte algoritmer og innebygd prosessering for å redusere behovet for et kostbart par ultralydstransdusere. Analoge frontend- og signalbehandlingsalgoritmer kompenserer for svingere i svingeren.
Gjør at hver dråpe teller
En typisk ultralydsmåler overfører en ultralydbølge og måler differensialforsinkelsen på mottakeren for å estimere strømningshastigheten. Forsinkelsesmålinger håndteres vanligvis av en tid-til-digital-omformerkrets som overvåker nullkryssingen av den mottatte bølgeformen. Utfordringen med den typiske tilnærmingen er at den ikke er følsom nok til å oppdage strømningsnivåer med høy nøyaktighet.
Vår arkitektur bruker en smart analog frontend med en høy-ytelse analog-til-digital-omformer for å forbedre signal-til-støy-kvalitet og overvinne kalibrerings unøyaktigheter. Denne tilnærmingen har flere fordeler:
- Det kan oppnå høyere nøyaktighet ved å redusere interferens og forbedre signal / støy-forholdet.
- Arkitekturen kan måle et bredt dynamisk strømningsområde, fra en brannslange til en liten lekkasje.
- Ved å bruke en driver med lavere spenning sparer det kraft og kostnader betydelig. Gjennomsnittlig strøm for en måling per sekund er mindre enn 3 mikroampere. Dette betyr en batterilevetid på mer enn 15 år.
- Den kan oppdage turbulens, bobler og andre strømningsavvik, noe som er viktig for strømningsanalyse og service av rørledningene.
- Teknologien er robust mot amplitudevariasjoner i de to strømningsretningene, som kan forekomme i vann og gass ved høyere strømningshastigheter.
Mange andre TI-teknologier er avgjørende for en høytytende strømningsmåler. En mikroeffekt med lite effekt med integrert ultralydanalogfront, en høyytelses klokkehenvisning, en lav hvilestrømstyring og ultra-nøyaktig impedanstilpasning av senderdriveren og mottakerforsterkerbanene er eksempler på ytterligere differensierende teknologier i disse strømningsmålerne.
Sammen kan disse teknologiene bidra til å bevare en av våre mest dyrebare ressurser.