Statistiken är alarmerande: Endast i USA slösar hushållsläckor cirka 900 miljarder liter vatten varje år. För att sätta detta nummer i perspektiv är det tillräckligt med vatten för att förse cirka 11 miljoner hem varje år. Och andra länder - från Europa till Asien - står inför liknande utmaningar. Att förvärra detta problem är förväntad vattenbrist.
Men hjälp finns här. Ultraljudsteknik ger vattenmätare installerade i smarta byggnader och smarta städer möjlighet att upptäcka och lokalisera läckor så små som en droppe med några sekunders mellanrum. Städer från Austin till Antwerpen installerar högteknologiska smarta vattenmätare som ger kunderna den information de behöver för att hitta läckor och spara vatten samtidigt som de hjälper verktyg att identifiera infrastrukturläckage i åldrande rör och trasiga vattenledningar.
"Vattnet vi har idag är det enda vattnet vi någonsin kommer att få", säger Holly Holt-Torres, vattenvårdschef för City of Dallas Water Utilities. ”Vi måste spara det. Teknik gör att vi kan göra det på en allt högre nivå. ”
Men denna ultraljudsteknik har applikationer som sträcker sig bortom vattenmätare. Samma teknik kan användas i mätare som mäter naturgasflöde och till och med detekterar blandningen av gas som strömmar genom rören. Det kan till och med hjälpa läkare att reglera syretillförsel i kirurgisk utrustning.
Går med flödet
Ultraljudsvågor är naturligtvis inte nya. Fladdermöss använder till exempel ultraljud för att undvika hinder och fånga insekter på natten. Och i mer högteknologiska applikationer används den vid materialskillnad, kollisionsundvikande i bilar och industriell och medicinsk bildbehandling.
Nu används den i vattenmätare och andra flödesmätare. Mätare har traditionellt förlitat sig på ett elektromekaniskt system med en vridspindel eller växel som använder ett magnetiskt element för att generera pulser. Men - som är fallet med termostater, motorer och många andra vardagliga enheter - övergår elektromekaniska system i flödesmätare snabbt till elektroniska system.
I dessa system mäter ett par nedsänkande ultraljudsgivare hastigheten på akustiska vågor i vätskan. Hastigheten för den akustiska vågutbredningen är en funktion av viskositeten, flödeshastigheten och riktningen hos vätskan som strömmar genom röret. Ultraljudsvågor rör sig i olika hastigheter beroende på styvheten hos media de reser igenom.
Noggrannheten för mätningen beror på kvaliteten på givaren, analoga precisionskretsar och algoritmer för signalbehandling. Akustiska eller ultraljudsgivare är piezomaterial som omvandlar elektriska signaler till mekaniska vibrationer med en relativt hög frekvens på hundratals kilohertz. Normalt måste ett par ultraljudsgivare i intervallet 1-2 MHz vara väl matchade och kalibrerade för att kunna mäta flödet exakt. De utgör en betydande del av flödesmätarens kostnad. Sensorsystemet måste fungera med mycket låg effekt för att garantera en batteritid på 15-20 år.
Vårt företags avancerade flödesmätningschip, MSP430FR6043, innehåller en unik analog frontend och algoritm, som avsevärt förbättrar noggrannheten samtidigt som den totala kostnaden och energiförbrukningen minskar. Vår flödesmätarkitektur utnyttjar högpresterande analog design, avancerade algoritmer och inbäddad bearbetning för att mildra behovet av ett dyrt par ultraljudsgivare. Analoga frontend- och signalbehandlingsalgoritmer kompenserar för givarfel.
Gör att varje droppe räknas
En typisk ultraljudsmätare överför en ultraljudsvåg och mäter differentiell fördröjning vid mottagaren för att uppskatta flödeshastigheten. Fördröjningsmätningar hanteras vanligtvis av en tid-till-digital-omvandlingskrets som övervakar nollkorsningen av den mottagna vågformen. Utmaningen med det typiska tillvägagångssättet är att det inte är tillräckligt känsligt för att detektera flödesnivåer med hög noggrannhet.
Vår arkitektur använder en smart analog front med en högpresterande analog-till-digital-omvandlare för att förbättra signal-till-brus-kvalitet och övervinna kalibreringsfelaktigheter. Detta tillvägagångssätt har flera fördelar:
- Det kan uppnå högre noggrannhet genom att minska störningar och förbättra signal-brus-förhållandet.
- Arkitekturen kan mäta ett brett dynamiskt flödesområde, från en brandslang till en liten läcka.
- Genom att använda en lägre spänningsdrivare sparar det kraft och kostnad avsevärt. Medelströmmen för en mätning per sekund är mindre än 3 mikroampor. Detta innebär en batteritid på mer än 15 år.
- Det kan upptäcka turbulens, bubblor och andra flödesavvikelser, vilket är viktigt för flödesanalys och service av rörledningarna.
- Tekniken är robust mot amplitudvariationer i flödets två riktningar, som kan förekomma i vatten och gas vid högre flödeshastigheter.
Många andra TI-tekniker är avgörande för en högpresterande flödesmätare. En lågeffektmikrokontroller med integrerad ultraljudanal, en högpresterande klockreferens, en lågströms strömstyrning och extremt exakt impedansmatchning av sänddrivrutiner och mottagarförstärkarbanor är exempel på ytterligare differentierande tekniker i dessa flödesmätare.
Tillsammans kan dessa tekniker hjälpa till att spara en av våra mest värdefulla resurser.