Statistikken er alarmerende: Alene i USA spilder husholdningsudslip omkring 900 milliarder liter vand hvert år. For at sætte dette antal i perspektiv er det nok vand til at levere omkring 11 millioner hjem årligt. Og andre lande - fra Europa til Asien - står over for lignende udfordringer. Ved at sammensætte dette problem forventes vandmangel.
Men hjælp er her. Ultralydsteknologi giver vandmålere installeret i smarte bygninger og smarte byer mulighed for at registrere og lokalisere lækager så små som en dråbe hvert par sekunder. Byer fra Austin til Antwerpen installerer højteknologiske smarte vandmålere, der giver kunderne de oplysninger, de har brug for til at finde lækager og spare vand, samtidig med at de hjælper forsyningsselskaber med at identificere infrastrukturlækager i aldrende rør og brudt vandledninger.
"Det vand, vi har i dag, er det eneste vand, vi nogensinde har," siger Holly Holt-Torres, vandbesparelseschef for City of Dallas Water Utilities. ”Vi er nødt til at bevare det. Teknologi vil give os mulighed for at gøre det på et stadig højere niveau. ”
Men denne ultralydsteknologi har applikationer, der strækker sig ud over vandmålere. Den samme teknologi kan bruges i målere, der måler naturgasflow og endda detekterer blandingen af gas, der strømmer gennem rør. Det kan endda hjælpe læger med at regulere iltlevering i kirurgisk udstyr.
Går med strømmen
Ultralydsbølger er selvfølgelig ikke nye. Flagermus bruger f.eks. Ultralyd for at undgå forhindringer og fange insekter om natten. Og i mere højteknologiske applikationer bruges det til materialevalg, kollisionsundgåelse i biler og industriel og medicinsk billeddannelse.
Nu bruges det i vandmålere og andre flowmålere. Målere har traditionelt været afhængige af et elektromekanisk system med en drejespindel eller et gear, der bruger et magnetisk element til at generere impulser. Men - som det er tilfældet med termostater, motorer og mange andre daglige enheder - overgår elektromekaniske systemer i flowmålere hurtigt til elektroniske systemer.
I disse systemer måler et par fordybende ultralydstransducere hastigheden af akustiske bølger i væsken. Hastigheden af den akustiske bølgespredning er en funktion af viskositeten, strømningshastigheden og retningen af væsken, der strømmer gennem røret. Ultralydsbølger bevæger sig med forskellige hastigheder afhængigt af stivheden af mediet, de rejser igennem.
Nøjagtigheden af målingen afhænger af kvaliteten af transduceren, analoge præcisionskredsløb og signalbehandlingsalgoritmer. Akustiske eller ultralydstransducere er piezo-materialer, der konverterer elektriske signaler til mekaniske vibrationer med en relativt høj frekvens på hundredvis af kilohertz. Typisk skal et par ultralydstransducere i området 1-2 MHz være godt matchet og kalibreret for at kunne måle flowet nøjagtigt. De udgør en betydelig del af flowmålerens omkostninger. Sensorsystemet skal fungere ved meget lav effekt for at sikre en batteritid på 15-20 år.
Vores virksomheds avancerede flowmålerchip, MSP430FR6043, inkluderer en unik analog frontend og algoritme, som forbedrer nøjagtigheden betydeligt, samtidig med at de samlede omkostninger og strømforbrug reduceres. Vores flowmålerarkitektur udnytter højtydende analogt design, avancerede algoritmer og integreret behandling for at mindske behovet for et dyrt par ultralydstransducere. Analoge frontend- og signalbehandlingsalgoritmer kompenserer for fejl i transducer.
Gør hver dråbe tæller
En typisk ultralyds flowmåler transmitterer en ultralydsbølge og måler differensforsinkelsen på modtageren for at estimere strømningshastigheden. Forsinkelsesmålinger håndteres normalt af et time-to-digital-converter-kredsløb, der overvåger nulkrydsningen af den modtagne bølgeform. Udfordringen med den typiske tilgang er, at den ikke er følsom nok til at registrere strømningsniveauer med høj nøjagtighed.
Vores arkitektur anvender en smart analog frontend med en højtydende analog-til-digital-konverter for at forbedre signal-til-støjkvalitet og overvinde kalibrerings unøjagtigheder. Denne tilgang har flere fordele:
- Det kan opnå højere nøjagtighed ved at reducere interferens og forbedre signal-støj-forholdet.
- Arkitekturen kan måle et bredt dynamisk flowområde fra en brandslange til en lille lækage.
- Ved at bruge en driver med lavere spænding sparer det strøm og omkostninger betydeligt. Den gennemsnitlige strøm for en måling pr. Sekund er mindre end 3 mikroampere. Dette betyder en batterilevetid på mere end 15 år.
- Det kan registrere turbulens, bobler og andre strømningsanomalier, hvilket er vigtigt for flowanalyse og service af rørledningerne.
- Teknologien er robust over for amplitudevariationer i de to strømningsretninger, som kan forekomme i vand og gas ved højere strømningshastigheder.
Mange andre TI-teknologier er kritiske for en højtydende flowmåler. En laveffektmikrocontroller med integreret ultralydsanalogfront, en højtydende urreference, en lavt hvilende strømstyringsstyring og ultra-nøjagtig impedanstilpasning af transmitterdriver og modtagerforstærkerstier er eksempler på yderligere differentierende teknologier i disse flowmålere.
Sammen kan disse teknologier hjælpe med at bevare en af vores mest dyrebare ressourcer.