Cómo utilizar la detección ultrasónica en los medidores de agua inteligentes

Ampliar y mejorar los medidores de agua inteligentes es un elemento esencial para una gestión eficaz del agua. Los medidores ayudan a identificar y localizar fugas en los sistemas de distribución de agua y pueden ayudar a los usuarios a mejorar la conservación del agua en épocas de sequía u otras limitaciones del suministro. La tecnología de los medidores de caudal ultrasónicos está ganando adeptos en entornos industriales, comerciales y residenciales. Estos medidores ofrecen varias ventajas en comparación con los contadores de agua mecánicos tradicionales: no tienen piezas móviles, lo que minimiza el mantenimiento y maximiza la fiabilidad, son de bajo consumo y una batería puede durar muchos años, ofrecen una gran precisión y pueden diseñarse para admitir mediciones bidireccionales.

Este artículo describe el funcionamiento y la integración de los sensores ultrasónicos de caudal en los contadores de agua inteligentes y repasa brevemente las normas internacionales de precisión de los contadores residenciales. A continuación, presenta ejemplos de componentes adecuados para su uso en dichos contadores, entre los que se incluyen un ensamble de sensor ultrasónico de Audiowell, front-end analógico (AFE) y convertidores de tiempo a digital (TDC) CI, además de una unidad de microcontrolador (MCU) y una placa de evaluación de Texas Instruments, así como componentes de "apoyo" entre los que se incluyen un transceptor RF con arranque seguro de Silicon Labs y una batería primaria de larga duración de Tadiran. Concluye con algunas sugerencias para mejorar la precisión de los medidores de caudal por ultrasonidos.

Un caudalímetro ultrasónico de tiempo de tránsito típico incluye dos transductores piezoeléctricos para generar dos series de impulsos ultrasónicos enviados en direcciones opuestas a través del agua que fluye. La diferencia de tiempo de vuelo (ToF, o tiempo de viaje) entre los impulsos aguas abajo y aguas arriba se utiliza para medir el caudal del agua. Otros bloques funcionales son (Figura 1):

• Un espejo acústico para cada uno de los transductores piezoeléctricos
• Un CI de ToF de tránsito, que a menudo consta de dos CI, un front-end analógico para interactuar con los transductores y un cronómetro independiente de picosegundos de precisión para medir el ToF.
• Un microcontrolador para calcular el caudal y enlazar con el CI de comunicaciones y una pantalla opcional.
• Una batería/pila de larga duración u otra fuente de alimentación (no se muestra).

Figura 1: se envían dos series de impulsos ultrasónicos en direcciones opuestas. La diferencia de tiempo de vuelo (tiempo de viaje) entre los impulsos aguas abajo (azul) y aguas arriba (rojo) se utiliza para medir el caudal del agua. (Fuente de la imagen: Audiowell)

Al principio de cada impulso ultrasónico, se genera una señal de "inicio" para marcar el comienzo de la medición ToF. Cuando el impulso llega al receptor, se genera una señal de "parada" y el intervalo entre "inicio" y "parada" se utiliza para determinar el ToF basándose en una función de cronómetro. Cuando no fluye agua, las mediciones del tiempo de tránsito serán idénticas. En condiciones normales de flujo, la ola ascendente viajará más despacio que la ola descendente. Si el agua fluye en sentido inverso, las velocidades de desplazamiento de las olas se invertirán con respecto a los sensores.

Normas de precisión de los medidores residenciales

Los medidores de caudal destinados a aplicaciones residenciales deben estar diseñados para cumplir diversas normas. Por ejemplo, los requisitos metrológicos para el error máximo permitido (EMP) de los medidores de agua están definidos por la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) mediante una serie de valores denominados Q1, Q2, Q3 y Q4 (Tabla 1).

Cuadro 1: Las normas OIML para medidores de agua residenciales MPE se basan en una serie de cuatro zonas de caudal. (Fuente de la tabla: Texas Instruments)

El valor numérico de Q3 designa un contador de agua en metros cúbicos por hora (^m3/h) y la relación Q3/Q1. El valor de Q3 y la relación Q3/Q1 se encuentran en listas incluidas en las normas OIML. Los medidores de agua se definen como Clase 1 o Clase 2 en función de los MPE:

• Metros de clase 1
  • El error máximo permitido para la zona de caudal inferior, entre Q1 y Q2, es de ±3%, independientemente de la temperatura.
  • El error máximo permitido para la zona de caudal superior, entre Q2 y Q4, es de ±1%, para temperaturas de 0.,1 a +30 °C, y de ±2% para temperaturas superiores a +30 °C.
• Metros de clase 2
  • El error máximo permitido para la zona de caudal inferior es de ±5%, independientemente de la temperatura.
  • El error máximo permitido para la zona de caudal superior es de ±2%, para temperaturas de 0.1 a +30 °C, y de ±3% para temperaturas superiores a +30 °C.

Tubo de flujo de agua fría por ultrasonidos

El sensor de caudal ultrasónico HS0014-000 de Audiowell consta de un par de transductores de caudal ultrasónicos y sus correspondientes reflectores en un tubo de polímero DN15 que los diseñadores pueden utilizar en medidores de agua inteligentes ToF (figura 2). Características TI: baja pérdida de presión, alta fiabilidad y precisión de ±2.5%. Está preparado para funcionar entre 0.1 y +50 °C y funciona con una entrada máxima de 5 voltios pico a pico a 1 MHz, y está diseñado para su uso en aplicaciones residenciales de Clase 2, tal como se define en las normas OIML.

Figura 2: El sensor ultrasónico de caudal HS0014-000 incluye un par de transductores ultrasónicos de caudal en un tubo de polímero. (Fuente de la imagen: Audiowell)

Texas Instruments (TI) ofrece un trío de CI que los diseñadores pueden utilizar con el HS0014-000 en medidores de agua ultrasónicos ToF. El TDC1000 es un AFE totalmente integrado para mediciones de detección ultrasónica. Es programable y puede configurarse para múltiples impulsos de transmisión, frecuencias, umbral de señal y ganancia adecuados para transductores que funcionan desde 31.25 kilohercios (kHz) hasta 4 Megahercios (MHz), con factores de calidad (Q) variables. El TDC1000 dispone de modos de funcionamiento de bajo consumo adecuados para diseños de caudalímetros ultrasónicos ToF inteligentes alimentados por batería.

Figura 3: El TDC1000 es un AFE totalmente integrado que puede emparejarse con el HS0014-000 en diseños de medidores de agua inteligentes ToF. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El segundo CI de TI es el TDC7200, un cronómetro TDC y de picosegundos de precisión (Figura 4). Este dispositivo tiene una base de tiempo interna autocalibrada que permite una precisión de conversión de picosegundos y admite mediciones precisas de condiciones de flujo bajo y sin flujo. Además, el modo de promediado multiciclo autónomo puede utilizarse para permitir que la unidad de microcontrolador host entre en modo de reposo para ahorrar energía, despertándose la unidad de microcontrolador solo cuando el TDC7200 haya completado la secuencia de medición.

Figura 4: La TDC7200 y el cronómetro de precisión de picosegundos están diseñados para funcionar con el AFE TDC1000. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

TI también ofrece la MSP430FR6047, una unidad de microcontrolador de consumo ultrabajo con front-end analógico de detección ultrasónica integrado para mediciones precisas y exactas. Este dispositivo incluye un acelerador de bajo consumo para el procesamiento de señales, lo que permite a los diseñadores optimizar el consumo de energía para prolongar la duración de la batería/pila. Los MCU MSP430FR600x también integran varios periféricos útiles para diseños de medidores inteligentes, entre los que se incluyen:

• Controlador LCD
• Relojes de tiempo real (RTC)
• Convertidores de analógico a digital (ADC) de 12 bits con registro de aproximaciones sucesivas (SAR)
• Comparador analógico
• Acelerador de cifrado para AES256
• Un módulo de comprobación de redundancia cíclica (CRC)

Medidores ultrasónicos EVB

Para acelerar el proceso de desarrollo y reducir el tiempo de comercialización, los diseñadores pueden utilizar el EVM430-FR6047 para evaluar el rendimiento de las MCU MSP430FR6047 para la detección ultrasónica en medidores de agua inteligentes (Figura 5). El EVM admite una gran variedad de transductores que van de 50 kHz a 2.5 MHz e incluye una pantalla LCD integrada para visualizar las mediciones y conectores para integrar módulos de comunicación por RF.

Figura 5: El EVM430-FR6047 puede utilizarse para evaluar el rendimiento del MSP430FR6047 en la detección ultrasónica ToF en medidores de agua. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Componentes de apoyo

Los SoC inalámbricos EFR32FG22C121F512GM32 EFR32FG22 Serie 2 de Silicon Laboratories son una solución de un solo molde que combina un Cortex-M33 de 38.4 MHz con una radio de 2.4 GigaHertz (GHz) de alto rendimiento y características de seguridad integradas que proporcionan un cifrado rápido, una carga de arranque segura y un control de acceso de depuración (Figura 6). Este dispositivo tiene una potencia máxima de salida de hasta 6 decibelios metros (dBm) y una sensibilidad de recepción de -102.1 (250 kbit/s OQPSK) dBm. El EFR32FG22C121F512GM32 combina una potencia de transmisión y recepción ultrabaja (8.2 miliamperios (mA) de transmisión a +6 dBm, 3.6 mA de recepción), 1.2 microamperios (µA) de potencia en modo de reposo profundo y proporciona un robusto enlace de radiofrecuencia (RF) para comunicaciones fiables y alta eficiencia energética para medidores inteligentes y aplicaciones similares.

Figura 6: Los SoC inalámbricos EFR32FG22 Serie 2 incluyen un núcleo ARM Cortex-M33 a 38.4 MHz con funciones de cifrado rápido e inicio seguro. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Las baterías de litio-cloruro de tionilo (LiSOCl2) de tipo bobina como la TL-5920/T con lengüetas de soldadura (Figura 7) y la TL-5920/S con conexiones estándar de Tadiran son especialmente adecuadas para su uso en medidores inteligentes de agua, gas y electricidad. Estas baterías primarias tienen una capacidad nominal de 8.5 amperios hora (Ah) cuando se descargan a una velocidad de 3 mA a una tensión (V) terminal de 2 V, una tensión nominal de 3.6 V, una corriente continua nominal máxima de 230 mA, una corriente de impulsos nominal máxima de 400 mA y un rango de temperatura de funcionamiento de -55 a +85 °C. Estas baterías pueden durar entre 20 y 30 años, tanto como el medidor, sin necesidad de sustituirlas.

Figura 7: Las baterías de LiSOCl2 como la TL-5920/T pueden durar hasta 30 años y son muy adecuadas para aplicaciones de medidores inteligentes. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Mejorar la precisión

Las técnicas de compensación, calibración y adaptación de impedancias pueden utilizarse para mejorar la precisión de los medidores de agua ultrasónicos ToF:

• La precisión de las mediciones en los medidores ultrasónicos ToF está limitada por el grado de constancia de la velocidad del sonido, así como por la precisión de la electrónica de procesamiento de señales. La velocidad del sonido puede variar con la densidad y la temperatura. Debe añadirse una compensación para calibrar y ajustar los cambios en la velocidad del sonido y cualquier variación en el circuito de procesamiento de la señal.

• Los medidores ultrasónicos de ToF suelen calibrarse en seco en fábrica. Los parámetros de calibración pueden incluir los retardos temporales debidos a los transductores, la electrónica y los cables, cualquier corrección ΔToF-compensación necesaria para cada trayecto acústico y los parámetros geométricos dependientes del diseño. La calibración de fábrica puede mejorar la precisión en condiciones de bajo caudal y sin caudal y no debería afectar a la precisión en condiciones de alto caudal.

• Para minimizar o eliminar la desviación ΔToF en condiciones de flujo estático se necesita un par de trayectorias de señal de transmisión y recepción altamente simétricas. Se puede utilizar una solución de adaptación de impedancias para controlar las impedancias de cada ruta. Esto simplifica la calibración ΔToF y da como resultado una desviación muy pequeña del error a caudal cero en los rangos de presión y temperatura de funcionamiento, incluso si los transductores no están perfectamente adaptados.

Resumen

Los medidores de agua inteligentes ToF por ultrasonidos están ganando cuota de mercado en aplicaciones residenciales, industriales y comerciales para ayudar a identificar y localizar fugas en los sistemas de distribución de agua y proporcionar a los usuarios la información necesaria para mejorar la conversación sobre el agua. Se utilizan transductores piezoeléctricos para generar dos series de impulsos ultrasónicos que se envían en direcciones opuestas a través del agua que fluye. La diferencia de ToF entre los impulsos aguas abajo y aguas arriba se utiliza para medir el caudal del agua y puede admitir mediciones de caudal bidireccionales. Estos medidores no tienen piezas móviles, lo que los hace muy fiables y eficientes desde el punto de vista energético. La OIML ha establecido normas internacionales para clasificar los niveles de MPE de los medidores de agua. Para mejorar la precisión de estos medidores pueden utilizarse técnicas de compensación, calibración y adaptación de impedancias.