Οι στατιστικές είναι ανησυχητικές: Μόνο στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι διαρροές νοικοκυριών σπαταλούν περίπου 900 δισεκατομμύρια γαλόνια νερού κάθε χρόνο. Για να θέσουμε αυτόν τον αριθμό σε προοπτική, αυτό είναι αρκετό νερό για την παροχή περίπου 11 εκατομμυρίων σπιτιών ετησίως. Και άλλες χώρες - από την Ευρώπη έως την Ασία - αντιμετωπίζουν παρόμοιες προκλήσεις. Η επιδείνωση αυτού του προβλήματος είναι η αναμενόμενη έλλειψη νερού.
Αλλά η βοήθεια είναι εδώ. Η τεχνολογία υπερήχων δίνει στους μετρητές νερού εγκατεστημένους σε έξυπνα κτίρια και έξυπνες πόλεις τη δυνατότητα να εντοπίζουν και να εντοπίζουν διαρροές τόσο μικρές όσο μία σταγόνα κάθε λίγα δευτερόλεπτα. Οι πόλεις από το Ώστιν έως την Αμβέρσα εγκαθιστούν έξυπνους μετρητές νερού υψηλής τεχνολογίας που δίνουν στους πελάτες τις πληροφορίες που χρειάζονται για να βρουν διαρροές και να εξοικονομήσουν νερό, βοηθώντας ταυτόχρονα τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας να εντοπίσουν διαρροές υποδομής σε σωλήνες γήρανσης και αγωγούς σπασμένου νερού.
«Το νερό που έχουμε σήμερα είναι το μόνο νερό που θα έχουμε ποτέ», λέει ο Holly Holt-Torres, διευθυντής συντήρησης νερού για το City of Dallas Water Utilities. «Πρέπει να το διατηρήσουμε. Η τεχνολογία θα μας επιτρέψει να το κάνουμε αυτό σε όλο και υψηλότερο επίπεδο. "
Αλλά αυτή η τεχνολογία υπερήχων έχει εφαρμογές που εκτείνονται πέρα από τους μετρητές νερού. Η ίδια τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μετρητές που μετρούν τη ροή φυσικού αερίου και ακόμη ανιχνεύουν το μείγμα αερίου που ρέει μέσω σωλήνων. Μπορεί ακόμη και να βοηθήσει τους ιατρούς να ρυθμίσουν την παροχή οξυγόνου σε χειρουργικό εξοπλισμό.
Πηγαίνοντας με τη ροή
Τα κύματα υπερήχων, φυσικά, δεν είναι νέα. Οι νυχτερίδες, για παράδειγμα, χρησιμοποιούν υπερηχητικό εύρος για να αποφύγουν εμπόδια και να πιάσουν έντομα τη νύχτα. Και σε πιο υψηλής τεχνολογίας εφαρμογές, χρησιμοποιείται σε διακρίσεις υλικού, αποφυγή σύγκρουσης σε αυτοκίνητα και βιομηχανική και ιατρική απεικόνιση.
Τώρα χρησιμοποιείται σε μετρητές νερού και άλλους μετρητές ροής. Οι μετρητές παραδοσιακά βασίζονταν σε ένα ηλεκτρομηχανικό σύστημα με περιστρεφόμενο άξονα ή γρανάζι που χρησιμοποιεί μαγνητικό στοιχείο για την παραγωγή παλμών. Όμως - όπως συμβαίνει με τους θερμοστάτες, τους κινητήρες και πολλές άλλες καθημερινές συσκευές - τα ηλεκτρομηχανικά συστήματα σε μετρητές ροής μεταβαίνουν γρήγορα σε ηλεκτρονικά συστήματα.
Σε αυτά τα συστήματα, ένα ζεύγος συναισθηματικών μετατροπέων υπερήχων μετρά την ταχύτητα των ακουστικών κυμάτων στο ρευστό. Η ταχύτητα της διάδοσης ακουστικών κυμάτων είναι συνάρτηση του ιξώδους, του ρυθμού ροής και της κατεύθυνσης του ρευστού που ρέει μέσω του σωλήνα. Τα υπερηχητικά κύματα ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες ανάλογα με την ακαμψία των μέσων που διανύουν.
Η ακρίβεια της μέτρησης εξαρτάται από την ποιότητα των αλγορίθμων μετατροπέα, αναλογικού κυκλώματος ακριβείας και επεξεργασίας σήματος. Οι ακουστικοί ή οι υπερηχητικοί μορφοτροπείς είναι πιεζοϋλικά που μετατρέπουν ηλεκτρικά σήματα σε μηχανικές δονήσεις σε σχετικά υψηλή συχνότητα εκατοντάδων κιλοhertz. Συνήθως, ένα ζεύγος μετατροπέων υπερήχων στην περιοχή των 1-2 MHz πρέπει να ταιριάζει καλά και να βαθμονομηθεί για να μετρηθεί η ροή με ακρίβεια. Αποτελούν σημαντικό μέρος του κόστους του μετρητή ροής. Το σύστημα αισθητήρων πρέπει να λειτουργεί με πολύ χαμηλή ισχύ για να εξασφαλίσει διάρκεια ζωής μπαταρίας 15-20 ετών.
Το προηγμένο τσιπ μέτρησης ροής της εταιρείας μας, το MSP430FR6043, περιλαμβάνει ένα μοναδικό αναλογικό εμπρόσθιο άκρο και αλγόριθμο, που βελτιώνει σημαντικά την ακρίβεια ενώ ταυτόχρονα μειώνει το συνολικό κόστος και την κατανάλωση ισχύος. Η αρχιτεκτονική μέτρησης ροής αξιοποιεί αναλογικό σχεδιασμό υψηλής απόδοσης, προηγμένους αλγόριθμους και ενσωματωμένη επεξεργασία για να μετριάσει την ανάγκη για ένα ακριβό ζεύγος υπερηχητικών μετατροπέων. Οι αναλογικοί αλγόριθμοι διεπαφής και επεξεργασίας σήματος αντισταθμίζουν την αναντιστοιχία μετατροπέα.
Κάνοντας κάθε σταγόνα μετράει
Ένας τυπικός υπερηχητικός μετρητής ροής μεταδίδει ένα υπερηχητικό κύμα και μετρά τη διαφορική καθυστέρηση στον δέκτη για την εκτίμηση του ρυθμού ροής. Οι μετρήσεις καθυστέρησης συνήθως αντιμετωπίζονται από ένα κύκλωμα μετατροπέα χρόνου-προς-ψηφιακό που παρακολουθεί τη μηδενική διέλευση της λαμβανόμενης κυματομορφής. Η πρόκληση με την τυπική προσέγγιση είναι ότι δεν είναι αρκετά ευαίσθητη για να ανιχνεύσει τα επίπεδα ροής με υψηλή ακρίβεια.
Η αρχιτεκτονική μας αναπτύσσει ένα έξυπνο αναλογικό μπροστινό μέρος που διαθέτει έναν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό υψηλής απόδοσης για τη βελτίωση της ποιότητας σήματος σε θόρυβο και την υπέρβαση των ανακριβειών βαθμονόμησης. Αυτή η προσέγγιση έχει πολλά οφέλη:
- Μπορεί να επιτύχει μεγαλύτερη ακρίβεια μειώνοντας τις παρεμβολές και βελτιώνοντας την αναλογία σήματος προς θόρυβο.
- Η αρχιτεκτονική μπορεί να μετρήσει ένα ευρύ δυναμικό εύρος ροής, από έναν εύκαμπτο σωλήνα έως μια μικρή διαρροή.
- Χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα οδήγησης χαμηλότερης τάσης, εξοικονομεί σημαντικά την ισχύ και το κόστος. Το μέσο ρεύμα για μία μέτρηση ανά δευτερόλεπτο είναι μικρότερο από 3 microamps. Αυτό μεταφράζεται σε διάρκεια ζωής μπαταρίας άνω των 15 ετών.
- Μπορεί να ανιχνεύσει στροβιλισμούς, φυσαλίδες και άλλες ανωμαλίες ροής, κάτι που είναι σημαντικό για την ανάλυση ροής και τη συντήρηση των αγωγών.
- Η τεχνολογία είναι ισχυρή ως προς τις διακυμάνσεις πλάτους στις δύο κατευθύνσεις της ροής, οι οποίες μπορεί να συμβούν στο νερό και το αέριο σε υψηλότερους ρυθμούς ροής.
Πολλές άλλες τεχνολογίες TI είναι κρίσιμες για έναν μετρητή ροής υψηλής απόδοσης. Ένας μικροελεγκτής χαμηλής ισχύος με ενσωματωμένο αναλογικό μπροστινό άκρο υπερήχων, μια αναφορά ρολογιού υψηλής απόδοσης, μια διαχείριση ισχύος χαμηλής ηρεμίας και η εξαιρετικά ακριβής αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης των διαδρομών ενισχυτή μετάδοσης και λήψης είναι παραδείγματα πρόσθετων τεχνολογιών διαφοροποίησης σε αυτούς τους μετρητές ροής.
Μαζί, αυτές οι τεχνολογίες μπορούν να βοηθήσουν στη διατήρηση ενός από τους πιο πολύτιμους πόρους μας.