Le statistiche sono allarmanti: solo negli Stati Uniti, le perdite domestiche sprecano circa 900 miliardi di litri d'acqua ogni anno. Per mettere questo numero in prospettiva, è abbastanza acqua per fornire circa 11 milioni di case all'anno. E altri paesi, dall'Europa all'Asia, affrontano sfide simili. Ad aggravare questo problema sono previste carenze idriche.
Ma l'aiuto è qui. La tecnologia a ultrasuoni offre ai contatori dell'acqua installati negli edifici intelligenti e nelle città intelligenti la capacità di rilevare e localizzare perdite di una goccia ogni pochi secondi. Le città da Austin ad Anversa stanno installando contatori dell'acqua intelligenti ad alta tecnologia che forniscono ai clienti le informazioni di cui hanno bisogno per trovare perdite e risparmiare acqua, aiutando le aziende a identificare le perdite nelle infrastrutture in tubi vecchi e condutture dell'acqua rotte.
"L'acqua che abbiamo oggi è l'unica acqua che avremo mai", afferma Holly Holt-Torres, responsabile della conservazione dell'acqua per la City of Dallas Water Utilities. “Dobbiamo conservarlo. La tecnologia ci consentirà di farlo a un livello sempre più alto ".
Ma questa tecnologia a ultrasuoni ha applicazioni che si estendono oltre i contatori dell'acqua. La stessa tecnologia può essere utilizzata nei contatori che misurano il flusso di gas naturale e rilevano anche la miscela di gas che scorre attraverso i tubi. Può anche aiutare i professionisti medici a regolare l'erogazione di ossigeno nelle apparecchiature chirurgiche.
Seguendo il flusso
Le onde ultrasoniche, ovviamente, non sono nuove. I pipistrelli, ad esempio, utilizzano gli ultrasuoni per evitare gli ostacoli e catturare gli insetti di notte. E in applicazioni più high-tech, viene utilizzato per il discernimento dei materiali, la prevenzione delle collisioni nelle automobili e l'imaging industriale e medico.
Ora viene utilizzato nei contatori dell'acqua e in altri misuratori di portata. I contatori tradizionalmente si basavano su un sistema elettromeccanico con un mandrino o un ingranaggio rotante che utilizza un elemento magnetico per generare impulsi. Ma, come nel caso dei termostati, dei motori e di molti altri dispositivi di uso quotidiano, i sistemi elettromeccanici nei misuratori di portata stanno rapidamente passando ai sistemi elettronici.
In questi sistemi, una coppia di trasduttori ultrasonici immersivi misura la velocità delle onde acustiche nel fluido. La velocità di propagazione delle onde acustiche è una funzione della viscosità, della portata e della direzione del fluido che scorre attraverso il tubo. Le onde ultrasoniche viaggiano a velocità diverse a seconda della rigidità del supporto su cui stanno viaggiando.
L'accuratezza della misurazione dipende dalla qualità del trasduttore, dai circuiti analogici di precisione e dagli algoritmi di elaborazione del segnale. I trasduttori acustici o ultrasonici sono materiali piezoelettrici che convertono i segnali elettrici in vibrazioni meccaniche a una frequenza relativamente alta di centinaia di kilohertz. In genere, una coppia di trasduttori a ultrasuoni nella gamma di 1-2 MHz deve essere ben abbinata e calibrata per misurare il flusso con precisione. Costituiscono una parte significativa del costo del misuratore di portata. Il sistema di sensori deve funzionare a una potenza molto bassa per garantire una durata della batteria di 15-20 anni.
Il chip di misurazione del flusso avanzato della nostra azienda, MSP430FR6043, include un front-end analogico unico e un algoritmo, che migliora significativamente la precisione riducendo i costi complessivi e il consumo energetico. La nostra architettura di misurazione del flusso sfrutta un design analogico ad alte prestazioni, algoritmi avanzati ed elaborazione incorporata per ridurre la necessità di una costosa coppia di trasduttori a ultrasuoni. Il front-end analogico e gli algoritmi di elaborazione del segnale compensano la mancata corrispondenza del trasduttore.
Fare in modo che ogni goccia conti
Un tipico flussometro a ultrasuoni trasmette un'onda ultrasonica e misura il ritardo differenziale al ricevitore per stimare la velocità del flusso. Le misurazioni del ritardo sono generalmente gestite da un circuito convertitore tempo-digitale che monitora il passaggio per lo zero della forma d'onda ricevuta. La sfida con l'approccio tipico è che non è abbastanza sensibile per rilevare i livelli di flusso con elevata precisione.
La nostra architettura utilizza un front-end analogico intelligente con un convertitore analogico-digitale ad alte prestazioni per migliorare la qualità del segnale-rumore e superare le imprecisioni di calibrazione. Questo approccio ha diversi vantaggi:
- Può ottenere una maggiore precisione riducendo le interferenze e migliorando il rapporto segnale-rumore.
- L'architettura può misurare un'ampia gamma dinamica di flusso, da una manichetta antincendio a una piccola perdita.
- Utilizzando un driver a tensione inferiore, si risparmia notevolmente in termini di potenza e costi. La corrente media per una misurazione al secondo è inferiore a 3 microampere. Ciò si traduce in una durata della batteria di oltre 15 anni.
- Può rilevare turbolenze, bolle e altre anomalie di flusso, che è importante per l'analisi del flusso e la manutenzione delle tubazioni.
- La tecnologia è resistente alle variazioni di ampiezza nelle due direzioni del flusso, che possono verificarsi in acqua e gas a portate più elevate.
Molte altre tecnologie TI sono fondamentali per un flussometro ad alte prestazioni. Un microcontrollore a bassa potenza con front-end analogico ad ultrasuoni integrato, un riferimento di clock ad alte prestazioni, una gestione della corrente a bassa quiescenza e un adattamento dell'impedenza estremamente accurato del driver di trasmissione e dei percorsi dell'amplificatore di ricezione sono esempi di ulteriori tecnologie di differenziazione in questi misuratori di portata.
Insieme, queste tecnologie possono aiutare a conservare una delle nostre risorse più preziose.