Einsatz von Ultraschall in intelligenten Wasserzählern

Der Ausbau und die Verbesserung der intelligenten Wassermessung ist ein wesentliches Element einer effektiven Wasserwirtschaft. Die Verbrauchsmessung hilft bei der Ermittlung und Lokalisierung von Leckagen in den Wasserverteilungssystemen und kann den Nutzern bei Dürre oder anderen Einschränkungen der Wasserversorgung helfen, Wasser zu sparen. Die Technologie der Ultraschall-Durchflussmesser setzt sich in der Industrie, im Handel und in Privathaushalten immer mehr durch. Diese Zähler bieten mehrere Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Wasserzählern: Es gibt keine beweglichen Teile, was die Wartung minimiert und die Zuverlässigkeit maximiert, sie sind stromsparend und eine Batterie kann viele Jahre halten, sie bieten eine hohe Genauigkeit und sie können so konstruiert werden, dass sie bidirektionale Messungen unterstützen.

Dieser Artikel beschreibt den Betrieb und die Integration von Ultraschall-Durchflusssensoren in intelligente Wasserzähler und gibt einen kurzen Überblick über die internationalen Normen für die Genauigkeit von Haushaltszählern. Anschließend werden Beispiele für Komponenten vorgestellt, die sich für den Einsatz in diesen Zählern eignen, darunter eine Ultraschallsensor-Baugruppe von Audiowell, Analog-Frontend- (AFE) und Zeitdigitalisierer-ICs (TDC) sowie eine Mikrocontroller-Einheit (MCU) und eine Evaluierungsplatine von Texas Instruments sowie unterstützende Komponenten wie ein HF-Transceiver mit Secure Boot von Silicon Labs und eine langlebige Primärbatterie von Tadiran. Der Artikel schließt mit einigen Vorschlägen zur Verbesserung der Genauigkeit von Ultraschall-Durchflussmessern.

Ein typischer Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser enthält zwei piezoelektrische Wandler, die zwei Serien von Ultraschallimpulsen erzeugen, die in entgegengesetzten Richtungen durch das fließende Wasser gesendet werden. Die Laufzeitdifferenz (ToF) zwischen dem stromabwärts und dem stromaufwärts gerichteten Impuls wird zur Messung der Durchflussrate des Wassers verwendet. Weitere Funktionsblöcke sind (Abbildung 1):

• Ein akustischer Spiegel für jeden der piezoelektrischen Wandler
• Ein Schaltkreis zur Laufzeitmessung, der häufig aus zwei ICs besteht, einem analogen Frontend für die Schnittstelle zu den Wandlern und einer separaten Pikosekunden-genauen Stoppuhr zur Messung der Laufzeit
• Ein Mikrocontroller zur Berechnung des Durchflusses und zur Verbindung mit dem Kommunikations-IC und einem optionalen Display
• Eine langlebige Batterie oder eine andere Stromquelle (nicht abgebildet)

Abbildung 1: Zwei Serien von Ultraschallimpulsen werden in entgegengesetzte Richtungen gesendet. Die Laufzeitdifferenz zwischen dem flussabwärts (blau) und dem flussaufwärts (rot) gerichteten Impuls wird zur Messung der Durchflussmenge des Wassers verwendet. (Bildquelle: Audiowell)

Zu Beginn jedes Ultraschallimpulses wird ein „Start“-Signal erzeugt, das den Beginn der Laufzeitmessung markiert. Wenn der Impuls den Empfänger erreicht, wird ein „Stopp“-Signal erzeugt, und das Intervall zwischen „Start“ und „Stopp“ wird zur Bestimmung der Laufzeit auf der Grundlage einer Stoppuhrfunktion verwendet. Wenn kein Wasser fließt, sind die Laufzeitmessungen identisch. Unter normalen Fließbedingungen bewegt sich die stromaufwärts gerichtete Welle langsamer als die stromabwärts gerichtete Welle. Wenn das Wasser in umgekehrter Richtung fließt, sind die Wellenlaufgeschwindigkeiten in Bezug auf die Sensoren umgekehrt.

Normen für die Genauigkeit von Haushaltszählern

Durchflussmesser, die für den Einsatz in Wohngebäuden bestimmt sind, müssen verschiedene Normen erfüllen. Die messtechnischen Anforderungen an die maximal zulässige Abweichung (MPE) für Wasserzähler werden beispielsweise von der Internationalen Organisation für das gesetzliche Messwesen (OIML) durch eine Reihe von Werten mit der Bezeichnung Q1, Q2, Q3 und Q4 definiert (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die Fehlergrenzen der OIML-Normen für Haushaltswasserzähler basieren auf einer Reihe von vier Flussratenbereichen. (Quelle der Tabelle: Texas Instruments)

Der Zahlenwert von Q3 bezeichnet einen Wasserzähler in Kubikmeter pro Stunde (m³/h) und das Verhältnis Q3/Q1. Der Wert von Q3 und das Verhältnis von Q3/Q1 sind in den Listen der OIML-Normen enthalten. Wasserzähler werden auf der Grundlage der Fehlergrenzen als Klasse 1 oder Klasse 2 definiert:

• Zähler der Klasse 1
  • Die Fehlergrenze für den unteren Flussratenbereich zwischen Q1 und Q2 beträgt unabhängig von der Temperatur ±3 %.
  • Die Fehlergrenze für den oberen Flussratenbereich zwischen Q2 und Q4 beträgt ±1 % für Temperaturen von 0,1 bis +30 °C und ±2 % für Temperaturen über +30 °C.
• Zähler der Klasse 2
  • Die Fehlergrenze für den unteren Flussratenbereich beträgt unabhängig von der Temperatur ±5 %.
  • Die Fehlergrenze für den oberen Flussratenbereich beträgt ±2 % für Temperaturen von 0,1 bis +30 °C und ±3 % für Temperaturen über +30 °C.

Ultraschall-Kaltwasserdurchflussrohr

Der Ultraschall-Durchflusssensor HS0014-000 von Audiowell besteht aus einem Paar Ultraschall-Durchflusssensoren und entsprechenden Reflektoren in einem DN15-Polymerrohr (Abbildung 2). Er zeichnet sich durch einen geringen Druckverlust, hohe Zuverlässigkeit und eine Genauigkeit von ±2,5 % aus. Er ist für den Betrieb von 0,1 bis +50 °C ausgelegt und arbeitet mit einer maximalen Eingangsspannung von 5 Volt Spitze-Spitze bei 1 MHz. Er ist für den Einsatz in Wohnanwendungen der Klasse 2 gemäß den OIML-Normen vorgesehen.

Abbildung 2: Der Ultraschall-Durchflusssensor HS0014-000 umfasst ein Paar Ultraschall-Durchflusswandler in einem Polymerrohr. (Bildquelle: Audiowell)

Texas Instruments (TI) bietet ein Trio von ICs an, die Entwickler zusammen mit dem HS0014-000 in Ultraschall-ToF-Wasserzählern verwenden können. Der TDC1000 ist ein voll integriertes AFE für Ultraschallmessungen. Er ist programmierbar und kann für mehrere Sendeimpulse, Frequenzen, Signalschwellen und Verstärkungen eingestellt werden, die für Schallköpfe mit einem Frequenzbereich von 31,25 Kilohertz (kHz) bis 4 Megahertz (MHz) und unterschiedlichen Gütefaktoren (Q) geeignet sind. Der TDC1000 verfügt über stromsparende Betriebsmodi, die sich für batteriebetriebene intelligente Ultraschall-ToF-Durchflussmesser eignen.

Abbildung 3: Der TDC1000 ist ein voll integriertes AFE, das zusammen mit dem HS0014-000 in intelligenten ToF-Wasserzählerdesigns eingesetzt werden kann. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der zweite IC von TI ist der TDC7200, ein TDC und eine pikosekundengenaue Stoppuhr (Abbildung 4). Diese Komponente verfügt über eine interne, selbstkalibrierte Zeitbasis, die eine Umwandlungsgenauigkeit im Pikosekundenbereich ermöglicht und genaue Messungen bei niedrigem und keinem Durchfluss unterstützt. Darüber hinaus kann der autonome Multizyklus-Mittelungsmodus dazu verwendet werden, die Host-MCU in den Ruhezustand zu versetzen, um Strom zu sparen, wobei die MCU erst dann wieder aufwacht, wenn die Messsequenz vom TDC7200 abgeschlossen wurde.

Abbildung 4: Der TDC7200 von Texas Instruments ist ein TDC und eine pikosekunden-genaue Stoppuhr und ist für den Betrieb mit dem AFE TDC1000 ausgelegt. (Bildquelle: Texas Instruments)

TI bietet auch den MSP430FR6047 an, eine extrem energieeffiziente MCU mit einem integrierten analogen Frontend zur Ultraschallmessung für präzise und genaue Messungen. Diese Komponente enthält einen energiesparenden Beschleuniger für die Signalverarbeitung, der es ermöglicht, den Stromverbrauch zu optimieren, um die Batterielebensdauer zu verlängern. In die MCUs MSP430FR600x sind zudem verschiedene Peripheriekomponenten integriert, die für intelligente Zählerdesigns nützlich sind, darunter:

• LCD-Treiber
• Echtzeituhr (RTC)
• 12-Bit-Analog/Digital-Wandler (SAR) mit sukzessiver Approximation
• Analoger Komparator
• Verschlüsselungsbeschleuniger für AES256
• Ein Modul zur zyklischen Redundanzprüfung (CRC)

Evaluierungsboard für Ultraschallzähler

Um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen, kann das EVM430-FR6047 verwendet werden, um die Leistung der MCUs MSP430FR6047 für die Ultraschallsensorik in intelligenten Wasserzählern zu evaluieren (Abbildung 5). Das EVM unterstützt eine Vielzahl von Messwertaufnehmern im Bereich von 50 kHz bis 2,5 MHz und verfügt über ein integriertes LCD zur Anzeige von Messwerten sowie über Anschlüsse zur Integration von HF-Kommunikationsmodulen.

Abbildung 5: Das EVM430-FR6047 kann verwendet werden, um die Performance des MSP430FR6047 bei der Ultraschall-ToF-Messung in Wasserzählern zu bewerten. (Bildquelle: Texas Instruments)

Unterstützende Komponenten

Die Wireless-SoCs der EFR32FG22-Serie 2 (EFR32FG22C121F512GM32) von Silicon Laboratories sind eine Einzelchiplösung, die einen 38,4MHz-Cortex-M33 mit einer leistungsstarken 2,4GHz-Funkkomponente und integrierten Sicherheitsfunktionen kombiniert, die eine schnelle Verschlüsselung, sicheres Booten und eine Debug-Zugriffskontrolle bieten (Abbildung 6). Diese Komponente hat eine maximale Ausgangsleistung von 6 Dezibelmeter (dBm) und eine Empfangsempfindlichkeit von -102,1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. Der EFR32FG22C121F512GM32 kombiniert einen extrem niedrigen Sende- und Empfangsstrom (8,2 Milliampere (mA) beim Senden bei +6 dBm, 3,6 mA beim Empfangen) mit einem Stromverbrauch von 1,2 Mikroampere (µA) im Deep-Sleep-Modus und bietet eine robuste Hochfrequenzverbindung für zuverlässige Kommunikation und hohe Energieeffizienz für intelligente Zähler und ähnliche Anwendungen.

Abbildung 6: Die Wireless-SoCs der EFR32FG22-Serie 2 enthalten einen 38,4MHz-ARM-Cortex-M33-Kern mit schneller Verschlüsselung und sicheren Boot-Funktionen. (Bildquelle: DigiKey)

Zylinderförmige Lithium-Thionylchlorid-Batterien (LiSOCl2) wie die TL-5920/T von Tadiran mit Lötfahnen (Abbildung 7) und die TL-5920/S mit Standardanschlüssen eignen sich besonders für den Einsatz in intelligenten Wasser-, Gas- und Stromzählern. Diese Primärbatterien bieten eine Nennkapazität von 8,5 Amperestunden (Ah), wenn sie mit einer Rate von 3 mA auf eine Klemmenspannung (V) von 2 V entladen werden, eine Nennspannung von 3,6 V, einen maximalen Dauerstrom von 230 mA, einen maximalen Impulsstrom von 400 mA und einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis +85 °C. Diese Batterien können 20 bis 30 Jahre halten, so lange wie der Zähler, ohne dass ein teurer Batteriewechsel erforderlich ist.

Abbildung 7: LiSOCl2-Batterien wie die TL-5920/T können bis zu 30 Jahre halten und eignen sich gut für intelligente Zähleranwendungen. (Bildquelle: DigiKey)

Verbesserung der Genauigkeit

Kompensations-, Kalibrierungs- und Impedanzanpassungstechniken können zur Verbesserung der Genauigkeit von ToF-Ultraschallwasserzählern eingesetzt werden:

• Die Messgenauigkeit von ToF-Ultraschallmessgeräten ist durch den Grad der Konstanz der Schallgeschwindigkeit und die Genauigkeit der Signalverarbeitungselektronik begrenzt. Die Schallgeschwindigkeit kann je nach Dichte und Temperatur variieren. Es sollte eine Kompensation hinzugefügt werden, um Änderungen der Schallgeschwindigkeit und Schwankungen in den Signalverarbeitungsschaltungen zu kalibrieren und auszugleichen.

• ToF-Ultraschallmessgeräte werden in der Regel im Werk trocken kalibriert. Zu den Kalibrierungsparametern können die Zeitverzögerungen aufgrund von Schallwandlern, Elektronik und Kabeln, die erforderliche ΔToF-Offset-Korrektur für jeden akustischen Pfad und konstruktionsabhängige geometrische Parameter gehören. Die werksseitige Kalibrierung kann die Genauigkeit bei niedrigem und keinem Durchfluss verbessern und sollte die Genauigkeit bei hohen Durchflussraten nicht beeinträchtigen.

• Ein hochsymmetrisches Paar von Sende- und Empfangssignalwegen ist erforderlich, um den ΔToF-Versatz unter statischen Strömungsbedingungen zu minimieren oder zu eliminieren. Mit einer Impedanzanpassungslösung lassen sich die Impedanzen der einzelnen Pfade steuern. Dies vereinfacht die ΔToF-Kalibrierung und führt zu einer sehr geringen Drift des Fehlers bei Null-Durchfluss über den Betriebsdruck- und Temperaturbereich, selbst wenn die Messwertaufnehmer nicht perfekt aufeinander abgestimmt sind.

Zusammenfassung

Intelligente ToF-Ultraschall-Wasserzähler gewinnen in privaten, industriellen und kommerziellen Anwendungen zunehmend an Marktanteilen, da sie dabei helfen, Lecks in Wasserverteilungssystemen zu identifizieren und zu lokalisieren und den Nutzern die Informationen zur Verfügung zu stellen, die sie zur Verbesserung des Wasserverbrauchs benötigen. Piezoelektrische Wandler werden verwendet, um zwei Serien von Ultraschallimpulsen zu erzeugen, die in entgegengesetzte Richtungen durch das fließende Wasser gesendet werden. Die Laufzeitdifferenz zwischen den stromabwärts und stromaufwärts gerichteten Impulsen wird zur Messung der Durchflussmenge des Wassers verwendet und kann bidirektionale Durchflussmessungen unterstützen. Diese Zähler haben keine beweglichen Teile, was sie sehr zuverlässig und energieeffizient macht. Die OIML hat internationale Standards für die Klassifizierung der Fehlergrenzen von Wasserzählern festgelegt. Kompensationstechniken, Kalibrierung und Impedanzanpassung können zur Verbesserung der Genauigkeit dieser Messgeräte eingesetzt werden.