Les estadístiques són alarmants: només als Estats Units, les fuites domèstiques malgasten uns 900.000 milions de litres d’aigua cada any. Per posar aquest número en perspectiva, és suficient aigua per abastir uns 11 milions de llars anuals. I altres països –de Europa a Àsia– s’enfronten a reptes similars. Per agrupar aquest problema, es preveu una escassetat d’aigua.
Però l’ajuda és aquí. La tecnologia per ultrasons proporciona als comptadors d’aigua instal·lats en edificis intel·ligents i ciutats intel·ligents la capacitat de detectar i localitzar fuites tan petites com una gota cada pocs segons. Les ciutats d’Austin a Anvers instal·len comptadors d’aigua intel·ligents d’alta tecnologia que proporcionen als clients la informació que necessiten per trobar fuites i conservar l’aigua, alhora que ajuden els serveis públics a identificar les fuites d’infraestructura a les canonades envellides i a la xarxa d’aigua trencada.
"L'aigua que tenim avui és l'única que tindrem", diu Holly Holt-Torres, responsable de conservació d'aigua de la ciutat de Dallas Water Utilities. “Ho hem de conservar. La tecnologia ens permetrà fer-ho a un nivell cada vegada més alt ”.
Però aquesta tecnologia d’ultrasons té aplicacions que s’estenen més enllà dels comptadors d’aigua. La mateixa tecnologia es pot utilitzar en comptadors que mesuren el flux de gas natural i fins i tot detecten la barreja de gas que circula per les canonades. Fins i tot pot ajudar els professionals mèdics a regular el lliurament d’oxigen en els equips quirúrgics.
Anar amb el flux
Les ones ultrasòniques, per descomptat, no són noves. Els ratpenats, per exemple, fan servir ultrasons per evitar obstacles i atrapar insectes a la nit. I en aplicacions més d’alta tecnologia, s’utilitza en discerniment de materials, evitació de col·lisions en automòbils i imatges industrials i mèdiques.
Ara s’utilitza en comptadors d’aigua i altres comptadors de cabal. Els comptadors tradicionalment s’han basat en un sistema electromecànic amb un fus giratori o engranatge que utilitza un element magnètic per generar impulsos. Però, com és el cas dels termòstats, motors i molts altres dispositius quotidians, els sistemes electromecànics dels mesuradors de cabal passen ràpidament als sistemes electrònics.
En aquests sistemes, un parell de transductors d'ultrasons immersius mesuren la velocitat de les ones acústiques del fluid. La velocitat de propagació de les ones acústiques és una funció de la viscositat, el cabal i la direcció del fluid que circula per la canonada. Les ones ultrasòniques viatgen a diferents velocitats en funció de la rigidesa dels suports que travessin.
La precisió de la mesura depèn de la qualitat del transductor, dels circuits analògics de precisió i dels algorismes de processament del senyal. Els transductors acústics o ultrasònics són materials piezoelèctrics que converteixen els senyals elèctrics en vibracions mecàniques a una freqüència relativament alta de centenars de kilohertz. Normalment, un parell de transductors d'ultrasons en el rang d'1-2 MHz han d'estar ben ajustats i calibrats per mesurar el flux amb precisió. Representen una part important del cost del mesurador de flux. El sistema de sensors ha de funcionar a una potència molt baixa per garantir una durada de la bateria de 15 a 20 anys.
El xip avançat de mesurament de flux de la nostra empresa, el MSP430FR6043, inclou un frontal i un algorisme analògics únics, que milloren significativament la precisió alhora que redueixen el cost general i el consum d'energia. La nostra arquitectura de mesurament de flux aprofita el disseny analògic d’alt rendiment, algorismes avançats i processament incrustat per mitigar la necessitat d’un costós parell de transductors d’ultrasons. Els fronts analògics i els algoritmes de processament de senyal compensen el desajustament del transductor.
Comptar cada gota
Un mesurador de flux ultrasònic típic transmet una ona ultrasònica i mesura el retard diferencial al receptor per estimar la velocitat del flux. Les mesures de retard se solen gestionar mitjançant un circuit de conversió de temps a digital que controla el pas zero de la forma d'ona rebuda. El desafiament amb l'enfocament típic és que no és prou sensible per detectar nivells de cabal amb alta precisió.
La nostra arquitectura implementa una interfície analògica intel·ligent amb un convertidor analògic-digital d’alt rendiment per millorar la qualitat del senyal al soroll i superar les inexactituds de calibratge. Aquest enfocament té diversos avantatges:
- Pot aconseguir una precisió superior reduint les interferències i millorant la relació senyal-soroll.
- L'arquitectura pot mesurar un ampli rang dinàmic de flux, des d'una mànega contra incendis fins a una petita fuita.
- En utilitzar un controlador de baixa tensió, estalvia significativament energia i costos. El corrent mitjà per a una mesura per segon és inferior a 3 microamps. Això es tradueix en una durada de la bateria de més de 15 anys.
- Pot detectar turbulències, bombolles i altres anomalies de flux, cosa important per a l’anàlisi del flux i el manteniment de les canonades.
- La tecnologia és robusta a les variacions d'amplitud en les dues direccions del flux, que es poden produir a l'aigua i al gas a cabals més elevats.
Moltes altres tecnologies TI són fonamentals per a un mesurador de cabal d’alt rendiment. Un microcontrolador de baixa potència amb interfície analògica ultrasònica integrada, una referència de rellotge d’alt rendiment, una gestió d’alimentació de corrent de baixa reposició i una concordança d’impedància ultra precisa del controlador de transmissió i de les rutes de l’amplificador de recepció són exemples de tecnologies diferencials addicionals en aquests mesuradors de cabal.
Juntes, aquestes tecnologies poden ajudar a conservar un dels nostres recursos més preuats.