วิธีใช้การตรวจวัดด้วยอัลตราโซนิกในมาตรวัดน้ำอัจฉริยะ

การขยายและปรับปรุงมาตรวัดน้ำอัจฉริยะเป็นองค์ประกอบสำคัญในการจัดการน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ การวัดปริมาณน้ำช่วยบ่งบอกและระบุตำแหน่งการรั่วไหลในระบบจ่ายน้ำ และสามารถช่วยผู้ใช้ประหยัดน้ำมากขึ้นในช่วงฤดูแล้งหรือในช่วงที่มีข้อจำกัดด้านการจัดหาน้ำอื่น ๆ เทคโนโลยีมาตรวัดการไหลแบบอัลตราโซนิคกำลังมีการนำไปใช้ในอุตสาหกรรม เชิงพาณิชย์ และในที่อยู่อาศัย มาตรวัดเหล่านี้มีประโยชน์หลายประการเมื่อเทียบกับมาตรวัดน้ำเชิงกลแบบดั้งเดิม โดยที่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ลดการบำรุงรักษาและเพิ่มความน่าเชื่อถือสูงสุด ใช้พลังงานต่ำและแบตเตอรี่อยู่ได้นานหลายปี มีความแม่นยำสูง และสามารถออกแบบให้รองรับการวัดแบบสองทิศทาง

บทความนี้จะอธิบายการทำงานและการใช้เซ็นเซอร์วัดการไหลแบบอัลตราโซนิกในมาตรวัดน้ำอัจฉริยะ และศึกษามาตรฐานสากลความแม่นยำของมาตรวัดน้ำในที่อยู่อาศัยโดยสังเขป จากนั้นจึงแสดงตัวอย่างส่วนประกอบที่เหมาะสมสำหรับใช้ในมาตรวัดเหล่านั้น รวมทั้งเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจาก Audiowell, ฟรอนต์เอนด์แบบอะนาล็อก (AFE) และไอซีตัวแปลงเวลาเป็นดิจิตอล (TDC) รวมถึงไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) และบอร์ดประเมินผลจาก Texas Instruments รวมทั้งส่วนประกอบ "สนับสนุน" รวมถึงตัวรับส่งสัญญาณ RF พร้อมการบู๊ตที่ปลอดภัยจาก Silicon Labs และแบตเตอรี่หลักที่มีอายุการใช้งานยาวนานจาก Tadiran สรุปด้วยคำแนะนำบางประการสำหรับการปรับปรุงความแม่นยำของมาตรวัดการไหลแบบอัลตราโซนิก

มาตรวัดการไหลแบบอัลตราโซนิกชนิดวัดเวลาส่งผ่านทั่วไปประกอบด้วยตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกสองตัวเพื่อสร้างพัลส์อัลตราโซนิกสองชุดที่ส่งไปในทิศทางตรงกันข้ามผ่านน้ำไหล เวลาส่งผ่าน (ToF หรือเวลาเดินทาง) ความแตกต่างระหว่างพัลส์ดาวน์สตรีมและอัปสตรีมใช้เพื่อวัดอัตราการไหลของน้ำ บล็อกการทำงานอื่น ๆ ได้แก่ (รูปที่ 1):

• กระจกอะคูสติกสำหรับทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกแต่ละตัว
• ไอซี Transit ToF ซึ่งมักจะประกอบด้วยไอซีสองตัว ฟรอนต์เอนด์แบบอะนาล็อกเพื่อเชื่อมต่อกับทรานสดิวเซอร์ และนาฬิกาจับเวลาที่แม่นยำระดับพิโกวินาทีที่แยกกันเพื่อวัด ToF
• ไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับคำนวณการไหลและเชื่อมต่อกับไอซีสื่อสารและจอแสดงผล
• แบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานหรือแหล่งพลังงานอื่น ๆ (ไม่แสดง)

รูปที่ 1: พัลส์อัลตราโซนิกสองชุดถูกส่งไปในทิศทางตรงกันข้าม ความแตกต่างของเวลาส่งผ่าน (เวลาเดินทาง) ระหว่างพัลส์ดาวน์สตรีม (สีน้ำเงิน) และอัปสตรีม (สีแดง) ใช้เพื่อวัดอัตราการไหลของน้ำ (แหล่งที่มาภาพ: Audiowell)

ที่จุดเริ่มต้นของพัลส์อัลตราโซนิกแต่ละสัญญาณ สัญญาณ "เริ่มต้น" จะถูกสร้างขึ้นเพื่อทำเครื่องหมายจุดเริ่มต้นของการวัด ToF เมื่อพัลส์มาถึงเครื่องรับ สัญญาณ 'หยุด' จะถูกสร้างขึ้น และช่วงเวลาระหว่าง 'เริ่ม' และ 'หยุด' จะถูกนำมาใช้เพื่อหาค่า ToF ตามฟังก์ชันนาฬิกาจับเวลา เมื่อไม่มีน้ำไหล เวลาส่งผ่านจะเท่ากัน ในสภาวะการไหลปกติ คลื่นอัปสตรีมจะเดินทางช้ากว่าคลื่นดาวน์สตรีม หากน้ำไหลในทิศทางกลับกัน ความเร็วการเคลื่อนที่ของคลื่นจะกลับด้านตามเซ็นเซอร์

มาตรฐานความแม่นยำของมิเตอร์วัดน้ำในที่พักอาศัย

เครื่องวัดอัตราการไหลสำหรับการใช้งานในที่พักอาศัยต้องได้รับการออกแบบให้เป็นไปตามมาตรฐานต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น ข้อกำหนดด้านมาตรวิทยาสำหรับข้อผิดพลาดอนุญาตสูงสุด (MPE) สำหรับมาตรวัดน้ำนั้นกำหนดโดยองค์การมาตรวิทยาทางกฎหมายระหว่างประเทศ (OIML) โดยชุดของค่าที่เรียกว่า Q1, Q2, Q3 และ Q4 (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: มาตรฐาน OIML สำหรับ MPE ของมาตรวัดน้ำในที่อยู่อาศัยอ้างอิงจากช่วงอัตราการไหลสี่ช่วง (แหล่งที่มาตาราง: Texas Instruments)

ค่าตัวเลขของ Q3 มีหน่วยเป็นลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง (m³/h) และอัตราส่วน Q3/Q1 ค่าของ Q3 และอัตราส่วนของ Q3/Q1 อยู่ในรายการที่อยู่ในมาตรฐาน OIML มาตรวัดน้ำกำหนดให้เป็น Class 1 หรือ Class 2 ตาม MPE:

• มาตรวัด Class 1
  • MPE สำหรับเขตอัตราการไหลที่ต่ำกว่า ระหว่าง Q1 และ Q2 คือ ±3% โดยไม่พิจารณาอุณหภูมิ
  • MPE สำหรับโซนอัตราการไหลส่วนบนระหว่าง Q2 และ Q4 คือ ±1% สำหรับอุณหภูมิตั้งแต่ 0.1 ถึง +30°C และ ±2% สำหรับอุณหภูมิที่มากกว่า +30°C
• มาตรวัด Class 2
  • MPE สำหรับโซนอัตราการไหลต่ำกว่าที่ ±5% โดยไม่พิจารณาอุณหภูมิ
  • MPE สำหรับโซนอัตราการไหลด้านบนที่ ±2% สำหรับอุณหภูมิตั้งแต่ 0.1 ถึง +30°C และ ±3% สำหรับอุณหภูมิที่มากกว่า +30°C

หลอดอัลตราโซนิควัดอัตราการไหลของน้ำเย็น

เซนเซอร์วัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิก HS0014-000 จาก Audiowell ประกอบด้วยตัวแปลงสัญญาณการไหลแบบอัลตราโซนิกคู่หนึ่งและตัวสะท้อนแสงที่เข้าคู่กันในท่อโพลีเมอร์ DN15 ที่นักออกแบบสามารถใช้ในมาตรวัดน้ำอัจฉริยะ ToF (รูปที่ 2) ซึ่งมีการสูญเสียแรงดันต่ำ ความน่าเชื่อถือสูง และความแม่นยำ ±2.5% สามารถทำงานได้ตั้งแต่ 0.1 ถึง +50°C และทำงานด้วยอินพุตสูงสุด 5 โวลต์แบบพีคทูพีคที่ 1 MHz และได้รับการออกแบบมาสำหรับการใช้งานในที่อยู่อาศัย Class 2 ตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐาน OIML

รูปที่ 2: เซนเซอร์วัดการไหลแบบอัลตราโซนิก HS0014-000 ประกอบด้วยทรานสดิวเซอร์แบบอัลตราโซนิกหนึ่งคู่ในท่อโพลิเมอร์ (แหล่งที่มาภาพ: Audiowell)

Texas Instruments (TI) นำเสนอ IC สามตัวที่นักออกแบบสามารถใช้กับ HS0014-000 ในมาตรวัดน้ำ ToF แบบอัลตราโซนิค TDC1000 เป็น AFE ที่ผสานรวมอย่างสมบูรณ์สำหรับการวัดการตรวจจับด้วยอัลตราโซนิก สามารถตั้งโปรแกรมได้และสามารถตั้งค่าสำหรับพัลส์ ความถี่ เกณฑ์สัญญาณ และอัตราขยายที่เหมาะสมสำหรับทรานสดิวเซอร์ที่ทำงานตั้งแต่ 31.25 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ถึง 4 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) โดยมีปัจจัยด้านคุณภาพ (Q) ที่แตกต่างกัน TDC1000 มีโหมดการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งเหมาะสำหรับการออกแบบมาตรวัดอัตราการไหล ToF แบบอัลตราโซนิกอัจฉริยะที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

รูปที่ 3: TDC1000 เป็น AFE แบบครบวงจรที่สามารถจับคู่กับ HS0014-000 ในการออกแบบมาตรวัดน้ำอัจฉริยะ ToF (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

IC ตัวที่สองจาก TI คือ TDC7200 ซึ่งเป็น TDC และนาฬิกาจับเวลาระดับพิโกวินาทีที่แม่นยำ (รูปที่ 4) อุปกรณ์นี้มีฐานเวลาที่สอบเทียบในตัว ซึ่งช่วยให้การแปลงพิโกวินาทีมีความแม่นยำ และรองรับการวัดการไหลต่ำและเมื่อการไม่มีการไหลที่มีความแม่นยำ นอกจากนี้ยังสามารถใช้โหมดเฉลี่ยหลายรอบอัตโนมัติเพื่อให้ MCU โฮสต์เข้าสู่โหมดสลีปเพื่อประหยัดพลังงาน โดย MCU จะทำงานก็ต่อเมื่อลำดับการวัดโดย TDC7200 เสร็จสิ้นเท่านั้น

รูปที่ 4: TDC7200 TDC และนาฬิกาจับเวลาที่มีความแม่นยำระดับพิโกวินาทีได้รับการออกแบบให้ทำงานร่วมกับ TDC1000 AFE (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

TI ยังนำเสนอ MSP430FR6047 ซึ่งเป็น MCU ที่ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษพร้อมฟรอนต์เอนด์แบบอนาล็อกการตรวจจับแบบอัลตราโซนิกในตัวสำหรับการวัดที่แม่นยำและเที่ยงตรง อุปกรณ์นี้มีตัวเร่งความเร็วพลังงานต่ำสำหรับการประมวลผลสัญญาณ ช่วยให้นักออกแบบสามารถปรับการใช้พลังงานให้เหมาะสมเพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ MCU MSP430FR600x ยังรวมอุปกรณ์ต่อพ่วงหลายตัวที่มีประโยชน์สำหรับการออกแบบการวัดอัจฉริยะ ซึ่งประกอบไปด้วย:

• ไดรเวอร์จอแอลซีดี
• นาฬิกาตามเวลาจริง (RTC)
• ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) แบบต่อเนื่อง 12 บิต
• ตัวเปรียบเทียบแบบอนาล็อก
• ตัวเร่งการเข้ารหัสสำหรับ AES256
• โมดูลตรวจสอบความซ้ำซ้อนแบบวนซ้ำ (CRC)

EVB มาตรวัดอัลตราโซนิค

เพื่อเร่งกระบวนการพัฒนาและลดเวลาออกสู่ตลาด นักออกแบบสามารถใช้ EVM430-FR6047 เพื่อประเมินประสิทธิภาพของ MCU MSP430FR6047 สำหรับการตรวจจับด้วยอัลตราโซนิคในมาตรวัดน้ำอัจฉริยะ (รูปที่ 5) EVM รองรับทรานสดิวเซอร์ที่หลากหลายตั้งแต่ 50 kHz ถึง 2.5 MHz และมีจอ LCD แบบออนบอร์ดเพื่อแสดงการวัดและตัวเชื่อมต่อสำหรับการรวมโมดูลการสื่อสาร RF

รูปที่ 5: สามารถใช้ EVM430-FR6047 เพื่อประเมินประสิทธิภาพของ MSP430FR6047 ในการตรวจจับ ToF แบบอัลตราโซนิกในมาตรวัดน้ำ (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

ส่วนประกอบสนับสนุน

EFR32FG22C121F512GM32 คือ SoC รุ่น EFR32FG22 Series 2 แบบไร้สายจาก Silicon Laboratories เป็นโซลูชันแบบซิงเกิลดายที่รวม 38.4 MHz Cortex-M33 เข้ากับวิทยุประสิทธิภาพสูง 2.4 GigaHertz (GHz) และฟีเจอร์ความปลอดภัยในตัวที่ให้การเข้ารหัสที่รวดเร็ว การโหลดบูตอย่างปลอดภัย และการควบคุมการเข้าถึงการแก้ไขจุดบกพร่อง (ภาพที่ 6) อุปกรณ์นี้มีกำลังขับสูงสุด 6 เดซิเบลเมตร (dBm) และความไวในการรับ -102.1 (250 kbit/s OQPSK) dBm EFR32FG22C121F512GM32 รวมกำลังส่งและรับต่ำพิเศษ (8.2 มิลลิแอมป์ (mA) ส่งที่ +6 dBm, รับ 3.6 mA), โหมดดีปสลีปที่ 1.2 ไมโครแอมแปร์ (µA) และให้การเชื่อมโยงคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ที่แข็งแกร่งสำหรับการสื่อสารที่เชื่อถือได้ และประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงสำหรับสมาร์ทมิเตอร์และการใช้งานที่คล้ายกัน

รูปที่ 6: SoC ไร้สาย EFR32FG22 Series 2 ประกอบด้วยคอร์ ARM Cortex-M33 ความเร็ว 38.4 MHz พร้อมการเข้ารหัสที่รวดเร็วและฟังก์ชันโหลดบูตที่ปลอดภัย (แหล่งที่มารูปภาพ: DigiKey)

แบตเตอรี่ลิเธียมไทโอนิลคลอไรด์ (LiSOCl2) แบบบ๊อบบิ้น เช่น TL-5920/T พร้อมแถบบัดกรี (รูปที่ 7) และ TL-5920/S ด้วยการเชื่อมต่อมาตรฐานจาก Tadiran เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในมาตรวัดน้ำ แก๊ส และไฟฟ้าอัจฉริยะ แบตเตอรี่หลักเหล่านี้มีความจุเล็กน้อย 8.5 แอมแปร์ชั่วโมง (Ah) เมื่อคายประจุที่อัตรา 3 mA ถึงแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว (V) 2 V, แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด 3.6 V, อัตรากระแสไฟฟ้าต่อเนื่องสูงสุด 230 mA, พิกัดกระแสพัลส์สูงสุด 400 mA และช่วงอุณหภูมิการทำงาน -55 ถึง +85 °C แบตเตอรี่เหล่านี้มีอายุการใช้งาน 20 ถึง 30 ปีเท่ากับอายุของมิเตอร์ โดยไม่ต้องเปลี่ยนไปใช้แบตเตอรี่ราคาแพง

รูปที่ 7: แบตเตอรี่ LiSOCl2 เช่น TL-5920/T สามารถใช้งานได้นานถึง 30 ปี และเหมาะสำหรับการใช้งานสมาร์ทมิเตอร์ (แหล่งที่มารูปภาพ: DigiKey)

การปรับปรุงความแม่นยำ

สามารถใช้เทคนิคชดเชย การสอบเทียบ และการจับคู่อิมพีแดนซ์เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของมาตรวัดน้ำ ToF อัลตราโซนิก:

• ความแม่นยำในการวัดในเครื่องวัด ToF แบบอัลตราโซนิกถูกจำกัดโดยระดับที่ความเร็วของเสียงคงที่ เช่นเดียวกับความแม่นยำของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการประมวลผลสัญญาณ ความเร็วของเสียงอาจแปรผันตามความหนาแน่นและอุณหภูมิ โดยควรเพิ่มค่าชดเชยเพื่อปรับเทียบและปรับตามการเปลี่ยนแปลงความเร็วของเสียงและการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในวงจรประมวลผลสัญญาณ

• มาตรวัด ToF แบบอัลตราโซนิคมักจะผ่านสอบเทียบแบบแห้งในโรงงาน พารามิเตอร์การสอบเทียบอาจรวมถึงความล่าช้าของเวลาเนื่องจากทรานสดิวเซอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และสายเคเบิล การแก้ไขค่าชดเชย ΔToF ใดๆ ที่จำเป็นสำหรับแต่ละเส้นทางเสียง และพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่ขึ้นกับการออกแบบ การสอบเทียบจากโรงงานสามารถปรับปรุงความแม่นยำในสภาวะการไหลต่ำและไม่มีการไหล และไม่ควรส่งผลต่อความแม่นยำภายใต้สภาวะอัตราการไหลสูง

• ภายใต้สภาวะการไหลแบบคงที่ จำเป็นต้องใช้เส้นทางการส่งและรับสัญญาณที่มีความสมมาตรสูงเพื่อลดหรือกำจัดค่าชดเชย ΔToF สามารถใช้โซลูชันการจับคู่อิมพีแดนซ์เพื่อควบคุมอิมพีแดนซ์ของแต่ละเส้นทางได้ ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการสอบเทียบ ΔToF และส่งผลให้เกิดความผิดพลาดเพียงเล็กน้อยที่การไหลเป็นศูนย์เหนือช่วงความดันและอุณหภูมิในการทำงาน แม้ว่าทรานสดิวเซอร์จะไม่เข้ากันอย่างสมบูรณ์ก็ตาม

สรุป

มาตรวัดน้ำอัจฉริยะ ToF แบบอัลตราโซนิกกำลังเข้ามามีส่วนแบ่งการตลาดในการใช้งานในที่อยู่อาศัย อุตสาหกรรม และพาณิชยกรรม เพื่อช่วยบ่งบอกและระบุตำแหน่งการรั่วไหลในระบบการจ่ายน้ำ และให้ข้อมูลที่จำเป็นแก่ผู้ใช้เพื่อช่วยผู้ใช้ประหยัดน้ำมากขึ้น โดยจะใช้ทรานสดิวเซอร์ความดันชนิดเปียโซอิเล็กตริกเพื่อสร้างพัลส์อัลตราโซนิกสองชุดที่ส่งไปในทิศทางตรงกันข้ามผ่านทางน้ำที่ไหล ความแตกต่างของ ToF ระหว่างพัลส์ดาวน์สตรีมและอัปสตรีมใช้เพื่อวัดอัตราการไหลของน้ำและสามารถรองรับการวัดการไหลแบบสองทิศทางได้ มิเตอร์เหล่านี้ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้ ทำให้มีความน่าเชื่อถือสูงและประหยัดพลังงาน OIML ได้กำหนดมาตรฐานสากลสำหรับการจำแนกระดับ MPE ของมาตรวัดอัตราการไหลของน้ำ โดยสามารถใช้เทคนิคการชดเชย การสอบเทียบ และการจับคู่อิมพีแดนซ์เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของมิเตอร์เหล่านี้