Como usar a detecção ultrassônica em medidores de água inteligentes

Expandir e melhorar a medição inteligente da água é um elemento essencial para um gerenciamento eficaz da água. A medição ajuda a identificar e localizar vazamentos nos sistemas de distribuição de água e pode ajudar os usuários a melhorar a conservação da água durante a seca ou outras limitações do abastecimento de água. A tecnologia dos medidores de fluxo ultrassônicos está ganhando adeptos em ambientes industriais, comerciais e residenciais. Estes medidores oferecem vários benefícios em comparação com os tradicionais medidores mecânicos de água: não há peças móveis, minimizando a manutenção e maximizando a confiabilidade, são de baixa potência e uma bateria pode durar muitos anos, proporcionam alta precisão e podem ser projetados para suportar medições bidirecionais.

Este artigo descreve a operação e integração de sensores de fluxo ultrassônicos em medidores de água inteligentes e revisa brevemente os padrões internacionais de precisão dos medidores residenciais. Em seguida, apresenta exemplos de componentes adequados para o uso nesses medidores, incluindo um conjunto de sensores de ultrassom da Audiowell, um front-end analógico (AFE) e CIs conversores de tempo para digital (TDC), mais uma unidade microcontroladora (MCU) e placa de avaliação da Texas Instruments, bem como componentes de "suporte", incluindo um transceptor de RF com inicialização segura da Silicon Labs, e uma bateria primária de longa duração da Tadiran. Conclui com algumas sugestões para melhorar a precisão do medidor de fluxo ultrassônico.

Um típico medidor de fluxo ultrassônico de tempo de trânsito inclui dois transdutores piezoelétricos para gerar duas séries de pulsos ultrassônicos enviados em direções opostas através da água que flui. A diferença do tempo de vôo (ToF, ou tempo de viagem) entre os pulsos a jusante e a montante é usada para medir a vazão da água. Outros blocos funcionais incluem (Figura 1):

• Um espelho acústico para cada um dos transdutores piezoelétricos
• Um CI ToF de trânsito, que consiste frequentemente de dois CIs, um front-end analógico para interface com os transdutores e um cronômetro preciso de picossegundo separado para medir o ToF
• Um microcontrolador para calcular o fluxo e fazer a ligação com o CI de comunicações e um display opcional
• Uma bateria de longa duração ou outra fonte de alimentação (não mostrada)

Figura 1: Duas séries de pulsos ultrassônicos são enviados em direções opostas. A diferença do tempo de vôo (tempo de viagem) entre os pulsos a jusante (azul) e a montante (vermelho) é usada para medir a vazão da água. (Fonte da imagem: Audiowell)

No início de cada pulso ultrassônico, é gerado um sinal de "partida" para marcar o início da medição ToF. Quando o pulso atinge o receptor, um sinal de "parada" é gerado, e o intervalo entre "partida" e "parada" é usado para determinar o ToF com base na função de um cronômetro. Quando não houver água fluindo, as medidas do tempo de trânsito serão idênticas. Em condições normais de fluxo, a onda a montante viajará mais lentamente do que a onda a jusante. Se a água flui na direção inversa, a velocidade de deslocamento da onda será revertida em relação aos sensores.

Padrões de precisão para medidores residenciais

Os medidores de fluxo destinados a aplicações residenciais devem ser projetados para atender a vários padrões. Por exemplo, os requisitos metrológicos para o erro máximo permitido (MPE) para medidores de água são definidos pela Organização Internacional de Metrologia Legal (OIML) por uma série de valores chamados Q1, Q2, Q3 e Q4 (Tabela 1).

Tabela 1: As normas OIML para MPEs dos medidores residenciais de água são baseadas em uma série de quatro zonas de taxa de fluxo. (Fonte da tabela: Texas Instruments)

O valor numérico de Q3 designa um medidor de água em metros cúbicos por hora (m³/h) e a relação Q3/Q1. O valor de Q3 e a relação de Q3/Q1 são encontrados em listas incluídas nas normas OIML. Os medidores de água são definidos como Classe 1 ou Classe 2 com base em MPEs:

• Medidores classe 1
  • O MPE para a zona de menor vazão, entre Q1 e Q2, é de ±3%, independentemente da temperatura.
  • O MPE para a zona de fluxo superior, entre Q2 e Q4, é ±1%, para temperaturas de 0,1 a +30°C, e ±2% para temperaturas superiores a +30°C.
• Medidores classe 2
  • O MPE para a zona de menor vazão é de ±5%, independentemente da temperatura.
  • O MPE para a zona de fluxo superior é de ±2%, para temperaturas de 0,1 a +30°C, e ±3% para temperaturas superiores a +30°C.

Tubo ultrassônico de fluxo de água fria

O sensor de fluxo ultrassônico HS0014-000 da Audiowell consiste em um par de transdutores de fluxo ultrassônicos e refletores correspondentes em um tubo de polímero DN15 que os projetistas podem usar em medidores de água inteligentes ToF (Figura 2). Apresenta uma perda de pressão baixa, alta confiabilidade e precisão de ±2,5%. É dimensionado para operação de 0,1 a +50°C e opera com uma entrada máxima de 5 volts pico a pico a 1 MHz, e é projetado para uso em aplicações residenciais Classe 2, conforme definido nas normas OIML.

Figura 2: O sensor de fluxo ultrassônico HS0014-000 inclui um par de transdutores de fluxo ultrassônicos em um tubo de polímero. (Fonte da imagem: Audiowell)

A Texas Instruments (TI) oferece um trio de CIs que os projetistas podem usar com o HS0014-000 em medidores de água ToF ultrassônicos. O TDC1000 é um AFE totalmente integrado para medições de detecção ultrassônica. É programável e pode ser configurado para vários pulsos de transmissão, frequências, limiar de sinal e ganho adequado para transdutores operando de 31,25 quiloHertz (kHz) a 4 MegaHertz (MHz), com fatores de qualidade (Q) variável. O TDC1000 apresenta modos de operação de baixa potência adequados para projetos de medidores de fluxo ToF ultrassônicos inteligentes alimentados por bateria.

Figura 3: O TDC1000 é um AFE totalmente integrado, que pode ser emparelhado com o HS0014-000 em projetos de medidores de água inteligentes ToF. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O segundo CI da TI é o TDC7200, um TDC e um cronômetro preciso de picossegundo (Figura 4). Este dispositivo tem uma base de tempo interna auto-calibrada que permite precisão de conversão de picossegundos e suporta medições precisas de fluxo baixo e sem condições de fluxo. Além disso, o modo autônomo de cálculo da média de múltiplos ciclos pode ser usado para permitir que o MCU hospedeiro entre no modo de suspensão para economizar energia, com o MCU despertando somente quando a sequência de medição tiver sido completada pelo TDC7200.

Figura 4: O TDC TDC7200 e o cronômetro preciso de picossegundo são projetados para trabalhar com o AFE TDC1000. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

A TI também oferece o MSP430FR6047, um MCU de potência baixíssima com um front-end analógico integrado de detecção ultrassônica para medições precisas. Este dispositivo inclui um acelerador de baixa energia para processamento de sinais, permitindo aos projetistas otimizar o consumo de energia para prolongar a vida útil da bateria. Os MCUs MSP430FR600x também integram vários periféricos úteis para projetos de medição inteligente, incluindo:

• Excitador de LCD
• Relógio em tempo real (RTC)
• Conversor analógico-digital (ADC) de 12 bits com registrador de aproximação sucessiva (SAR)
• Comparador analógico
• Acelerador de criptografia para AES256
• Um módulo de verificação de redundância cíclica (CRC)

Medidor ultrassônico EVB

Para acelerar o processo de desenvolvimento e reduzir o tempo de colocação no mercado, os projetistas podem usar o EVM430-FR6047 para avaliar o desempenho dos MCUs MSP430FR6047 para detecção ultrassônica em medidores de água inteligentes (Figura 5). O EVM suporta uma variedade de transdutores que variam de 50 kHz a 2,5 MHz e inclui um LCD na placa para exibir medidas e conectores para integrar módulos de comunicação de RF.

Figura 5: O EVM430-FR6047 pode ser usado para avaliar o desempenho do MSP430FR6047 na detecção ultrassônica de ToF em medidores de água. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Componentes de suporte

Os SoCs EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Série 2 sem fio da Silicon Laboratories é uma solução de matriz única que combina um Cortex-M33 de 38,4 MHz com um rádio de alto desempenho de 2,4 GigaHertz (GHz) e recursos de segurança integrados que fornecem criptografia rápida, carregamento de inicialização segura e um controle de acesso de depuração (Figura 6). Este dispositivo tem até 6 decibéis metros (dBm) de potência máxima de saída e uma sensibilidade de recepção de -102,1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. O EFR32FG22C121F512GM32 combina potência baixíssima de transmissão e recepção (8,2 miliamperes (mA) de transmissão a +6 dBm, 3,6 mA de recepção), 1,2 microampere (µA) de potência em modo de suspensão profunda e fornece uma ligação robusta de radiofrequência (RF) para comunicações confiáveis e alta eficiência energética para medidores inteligentes e aplicações similares.

Figura 6: Os SoCs sem fio EFR32FG22 Série 2 incluem um núcleo ARM Cortex-M33 de 38,4 MHz com funções de criptografia rápida e carregamento de inicialização segura. (Fonte da imagem: DigiKey)

As baterias de lítio-cloreto de tionila (LiSOCl2) tipo bobina como as TL-5920/T com abas de solda (Figura 7) e TL-5920/S com conexões padrões da Tadiran são especialmente adequadas para uso em medidores inteligentes de água, gás e eletricidade. Estas baterias primárias têm uma capacidade nominal de 8,5 ampere hora (Ah) quando descarregadas a uma taxa de 3 mA a uma tensão terminal (V) de 2 V, uma tensão nominal de 3,6 V, corrente máxima contínua nominal de 230 mA, corrente máxima de pulso nominal de 400 mA, e uma faixa de temperatura de operação de -55 a +85 °C. Estas baterias podem durar de 20 a 30 anos — assim como o medidor — sem necessidade de substituição por baterias caras.

Figura 7: As baterias LiSOCl2 como a TL-5920/T podem durar até 30 anos e são bem adequadas para aplicações de medidores inteligentes. (Fonte da imagem: DigiKey)

Melhorando a precisão

As técnicas de compensação, calibração e casamento de impedância podem ser usadas para melhorar a precisão dos medidores de água ToF ultrassônicos:

• A precisão da medição em medidores ToF ultrassônicos é limitada pelo grau em que a velocidade do som é constante, assim como a precisão da eletrônica de processamento de sinais. A velocidade do som pode variar com a densidade e a temperatura. A compensação deve ser adicionada para calibrar e ajustar para mudanças na velocidade do som e quaisquer variações no circuito de processamento do sinal.

• Os medidores ToF ultrassônicos são geralmente calibrados a seco na fábrica. Os parâmetros de calibração podem incluir os atrasos de tempo devido aos transdutores, eletrônica e cabos, qualquer correção de offset ΔToF necessária para cada caminho acústico, e parâmetros geométricos dependentes do projeto. A calibração de fábrica pode melhorar a precisão em condições de fluxo baixo e sem fluxo e não deve afetar a precisão em condições de fluxo alto.

• Um par altamente simétrico de caminhos de transmissão e recepção de sinal é necessário para minimizar ou eliminar o offset ΔToF sob condições de fluxo estático. Uma solução de casamento de impedância pode ser usada para controlar as impedâncias de cada caminho. Isto simplifica a calibração ΔToF e resulta em um desvio muito pequeno do erro em fluxo zero sobre as faixas de pressão e temperatura operacionais, mesmo que os transdutores não estejam perfeitamente casados.

Resumo

Os medidores de água inteligentes de ToF ultrassônicos estão ganhando participação de mercado em aplicações residenciais, industriais e comerciais para ajudar a identificar e localizar vazamentos em sistemas de distribuição de água e fornecer aos usuários as informações necessárias para melhorar o atendimento sobre conta de água. Os transdutores piezoelétricos são usados para gerar duas séries de pulsos ultrassônicos que são enviados em direções opostas através da água que flui. A diferença ToF entre os pulsos a jusante e a montante é usada para medir a vazão da água e pode suportar medições de fluxo bidirecionais. Estes medidores não possuem peças móveis, o que os torna altamente confiáveis e eficientes em termos energéticos. A OIML estabeleceu padrões internacionais para a classificação dos níveis de MPE dos medidores de água. Técnicas de compensação, calibração e casamento de impedância podem ser usadas para melhorar a precisão desses medidores.