כיצד להשתמש בחישה אולטרה-סונית במדי מים חכמים

הרחבה ושיפור מדי מים חכמים הם‏ אלמנט חיוני בניהול מים אפקטיבי. מדידה מסייעת לזהות ולאתר נזילות במערכות חלוקת מים ויכולה לעזור למשתמשים לשפר שימור מים בזמן בצורת או מגבלות אספקת מים אחרות. טכנולוגיית מד-זרימה אולטרה-סוני זוכה לאימוץ בזירות תעשייה, מסחר ומגורים. מדים אלה מציעים מספר יתרונות בהשוואה עם מדי מים מכניים מסורתיים: אין בהם חלקים נעים, דבר המקטין למינימום תחזוקה וממקסם אמינות, הם בעלי הספק נמוך וסוללה יכולה להחזיק שנים רבות, הם מספקים דיוק גבוה והם יכולים להיות מתוכננים לתמוך במדידות דו-כיווניות.

מאמר זה מתאר את הפעולה והאינטגרציה של חיישני זרימה אולטרה-סוניים במדי מים חכמים וסוקר בקצרה את התקנים הבינלאומיים עבור דיוק מדים ‏של בתי מגורים. אחר כך מציג דוגמאות של רכיבים המתאימים לשימוש במדים אלה, כולל מכלל‏ חיישן אולטרה-סוני מבית Audiowell, קצה-קדמי אנלוגי (AFE), ומעגלים-משולבים (ICs) ממיר זמן-לדיגיטלי (TDC), ועוד יחידת מיקרו-בקר (MCU) ולוח הערכה מבית Texas Instruments, כמו גם רכיבי “תמיכה” כולל‏ מקמ"ש RF עם אתחול (Boot‏) מאובטח מבית Silicon Labs ‏וסוללה ראשונית ארוכת-חיים מבית Tadiran‏. המאמר מסכם עם הצעות מסוימות עבור שיפור דיוק מד-זרימה אולטרה-סוני.

מד-זרימה אולטרה-סוני ‏זמן-מעבר (transit time) אופייני כולל שני מתמרים (Transducers) פייזואלקטריים המחוללים שתי סדרות של פולסים אולטרה-סוניים הנשלחות בכיוונים הפוכים במים הזורמים. הפרש זמן הטיסה (ToF, או זמן הנסיעה) בין הפולסים במורד-הזרם ובמעלה-הזרם משמש למדידת קצב הזרימה של המים. בלוקים פונקציונליים אחרים כוללים (איור 1‏):

• מראה‏ אקוסטית עבור כל אחד מהמתמרים (Transducers) הפייזואלקטריים
• מעגל-משולב (IC)‏ ToF מעבר, בדרך כלל כולל שני מעגלים-משולבים, קצה-קדמי אנלוגי אחד לממשק עם המתמרים ושעון-עצר נפרד, מדויק ברמה של פיקו-שנייה, כדי למדוד את ה-ToF
• מיקרו-בקר לחישוב הזרימה וקישור למעגל-משולב תקשורת ותצוגה אופציונלית
• סוללה עם משך חיים ארוך או מקור כוח אחר (איננו מוצג)

איור 1‏: שתי סדרות פולסים אולטרה-סוניים נשלחות בכיוונים נגדיים. הפרש זמן הטיסה (זמן הנסיעה) בין הפולסים במורד-הזרם (כחול) ובמעלה-הזרם (אדום) משמש למדידת קצב הזרימה של המים. (מקור תמונה: Audiowell)

בתחילת כל פולס אולטרה-סוני מופק אות “התחלה” כדי לציין את תחילת מדידת ה-ToF. כשהפולס מגיע למקלט מופק אות‏ ‘עצירה’ ומרווח הזמן בין ‘התחלה’ ל‘עצירה’ משמש לקביעת ה-ToF, בהתבסס על פעולת שעון-עצר. כשלא זורמים מים, מדידות זמן-מעבר יהיו זהות. בתנאי זרימה רגילים, הגל במעלה-הזרם יתקדם לאט יותר מהגל במורד-הזרם. אם המים זורמים בכיוון ההפוך, מהירויות התקדמות הגלים יתהפכו ביחס לחיישנים.

תקנים עבור דיוק מדים של בתי מגורים

מדי זרימה המיועדים עבור יישומים של בתי מגורים חייבים להיות מתוכננים לעמוד בתקנים שונים. לדוגמה, הדרישות המטרולוגיות עבור השגיאה המקסימלית המותרת (MPE) עבור מדי מים מוגדרות על ידי ה-International Organization of Legal Metrology‏ (OIML) באמצעות סדרה של ערכים הנקראים Q1,‏ Q2,‏ Q3 ו-Q4 (טבלה 1‏).

טבלה 1‏: תקני ה-OIML עבור שגיאות MEP של מדי מים של בתי מגורים מבוססים על סדרה‏ של ארבעה אזורי קצב-זרימה. (מקור טבלה: Texas Instruments)

הערך המספרי של Q3 מציין מד‏ מים במטרים מעוקבים לשעה (m³/h) והיחס Q3/Q1. הערך של Q3 והיחס Q3/Q1 נמצעים ברשימות הכלולות בתקני ה-OIML. מדי מים מוגדרים כ-Class 1‏ או Class 2‏ בהתבסס על שגיאות MPE:

• מדי Class 1
  • MPE עבור אזור קצב-זרימה תחתון, בין Q1 ו-Q2, היא %‏3‏±, ללא תלות בטמפרטורה.
  • MPE עבור אזור קצב-זרימה עליון, בין Q2 ו-Q4, היא %‏1‏±, עבור טמפרטורות מ-‏0.1‏ עד ‎30°C+, ו-±2% עבור טמפרטורות גבוהות יותר מ-‎30°C+.
• מדי Class 2
  • MPE עבור אזור קצב-זרימה תחתון היא %‏5‏±, ללא תלות בטמפרטורה.
  • MPE עבור אזור קצב-זרימה עליון היא %‏2‏±, עבור טמפרטורות מ-‏0.1‏ עד ‎30°C+, ו-±3% עבור טמפרטורות גבוהות יותר מ-‎30°C+.

צינור זרימת מים קרים אולטרה-סוני

חיישן הזרימה האולטרה-סוני HS0014-000 מבית Audiowell כולל זוג מתמרי זרימה אולטרה-סוניים ורפלקטורים מתאימים בצינור פולימר DN15 ומתכננים יכולים לעשות בו שימוש במדי מים חכמים ToF (איור 2). הוא מתאפיין‏ באיבוד לחץ נמוך, אמינות גבוהה ו-±2.5% דיוק. הוא מוגדר לעבוד מ-‏0.1‏ עד ‎50°C+ ועובד עם‏ כניסה מקסימלית של ‏5‏ וולט peak-to-peak ב-MHz‏ 1‏, ומתוכנן לשימוש ביישומי בית מגורים Class 2‏ כמוגדר בתקני ה-OIML.

איור 2: חיישן הזרימה האולטרה-סוני HS0014-000 כולל זוג מתמרי זרימה אולטרה-סוניים בצינור פולימר. (מקור תמונה: Audiowell)

חברת Texas Instruments‏ (TI) מציעה‏ שלישיה של מעגלים-משולבים (ICs‏) שמתכננים יכולים להשתמש בה עם מדי המים ToF האולטרה-סוניים HS0014-000. ה-TDC1000 הוא AFE משולב במלואו עבור מדידות חישה אולטרה-סונית. הוא ניתן-לתכנות ולהגדרה עבור פולסי שידור, תדרים, ספי אות והגברים מרובים המתאימים עבור מתמרים העובדים מ-31.25 קילו-הרץ (kHz‏‏) עד 4 מגה-הרץ (MHz‏), עם גורמי איכות (Q) שונים. ה-TDC1000 מתאפיין במצבי עבודה בהספק-נמוך המתאימים עבור תכני מדי זרימה ToF אולטרה-סוניים חכמים מוזני סוללה.

איור 3‏: ה-TDC1000‏ הוא AFE משולב במלואו הניתן לזיווג עם ה-HS0014-000 בתכני מדי מים חכמים ToF. (מקור תמונה: Texas Instruments)

המעגל-המשולב (IC) השני מבית TI הוא ה-TDC7200, ממיר TDC ושעון-עצר מדויק ברמה של פיקו-שנייה (איור 4‏). התקן זה הוא בעל בסיס זמן פנימי מכויל-עצמית המאפשר דיוק המרה של פיקו-שנייה ותומך במדידות מדויקות של תנאי זרם ‏חלש והעדר זרם. נוסף לכך, ניתן להשתמש בשיטת חישוב אוטונומית של ממוצע רב-מחזורי כדי לאפשר ל-MCU המארח להכנס למצב שינה ולחסוך הספק, עם התעוררות ה-MCU רק כשה-TDC7200 סיים את רצף המדידה.

איור 4‏: ממיר ה-TDC‏ TDC7200 ושעון-העצר עם דיוק של פיקו-שנייה מתוכננים לעבוד עם ה-TDC1000 AFE. (מקור תמונה: Texas Instruments)

חברת TI גם מציעה את ה-MSP430FR6047, ‏MCU הספק-אולטרה-נמוך משולב ‏עם קצה-קדמי אנלוגי (AFE) חישה אולטרה-סונית עבור מדידות עקביות מדויקות. התקן זה כולל מאיץ אנרגיה-נמוכה עבור עיבוד אותות, שמאפשר למתכננים למטב צריכת הספק כדי להאריך חיי סוללה. יחידות המיקרו-בקר MSP430FR600x גם משלבות מספר רכיבים היקפיים שימושיים עבור תכני מדידה חכמה, כולל:

• דוחף LCD‏
• שעון זמן-אמת (RTC)
• ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) אוגר-קירוב-עוקב (SAR) ‏Bit‏-12‏
• משוון אנלוגי
• מאיץ הצפנה עבור AES256‏
• מודול בדיקת יתירות מחזורית (CRC)

לוח הערכה (EVB) מד אולטרה-סוני

כדי להאיץ את תהליך הפיתוח ולקצר את הזמן עד ליציאה לשוק, מתכננים יכולים להשתמש ב-EVM430-FR6047 כדי להעריך את הביצועים של יחידות ה-MSP430FR6047 MCU עבור חישה אולטרה-סונית במדי מים חכמים (איור 5‏). ה-EVM תומך‏ במגוון מתמרים בתחום מ-50‎ kHz‏‏ עד ‎2.5 MHz‏ וכולל‏ LCD‏ משולב כדי להציג מדידות ומחברים עבור חיבור מודולי תקשורת RF.

איור 5: ה-EVM430-FR6047 ניתן לשימוש להערכת הביצועים של ה-MSP430FR6047 בחישת ToF אולטרה-סונית במדי מים. (מקור תמונה: Texas Instruments)

רכיבי תמיכה

ה-EFR32FG22C121F512GM32‏, מערכת-על-שבב אלחוטית EFR32FG22 סדרה 2 מבית Silicon Laboratories, היא פתרון פיסת-סיליקון-יחידה המשלב ‏38.4‎ MHz Cortex-M33 עם רדיו 2.4‏ גיגה-הרץ (GHz‏‏) ביצועים-עיליים ומאפייני אבטחה משולבים המספקים הצפנה מהירה, טעינת אתחול (boot) מאובטחת ובקרת גישה של ניפוי שגיאות (איור 6‏). התקן זה הוא בעל יציאת הספק מקסימלית של 6 דציבל מטר (dBm‏) ורגישות קליטה של 102.1‎ dBm-‏ (250‎ kbit/s OQPSK). ה-EFR32FG22C121F512GM32 משלבת הספקי שידור וקליטה אולטרה-נמוכים (8.2 מיליאמפר (mA‏‏) שידור ב-‎6 dBm+‏, mA‏ 3.6‏ קליטה), 1.2 מיקרואמפר (µA‏) הספק מצב שינה-עמוקה ומספקת קישור תדר רדיו (RF) איתן לתקשורת אמינה ונצילות אנרגיה גבוהה עבור מדים חכמים ויישומים דומים.

איור 6‏: SoC אלחוטית EFR32FG22 סדרה 2‏ כוללת ליבת‏ 38.4‎ MHz ARM Cortex-M33 עם פונקציות הצפנה מהירה וטעינת אתחול (boot) מאובטחת. (מקור תמונה: DigiKey)

סוללות ליתיום תיוניל כלוריד (LiSOCl2) מסוג סליל (Bobbin-type) כמו ה-TL-5920/T עם לשוניות הלחמה (איור 7‏) ו-TL-5920/S עם חיבורים סטנדרטיים מבית Tadiran ‏מתאימות במיוחד עבור שימוש במדי מים, גז וחשמל חכמים. סוללות ראשוניות אלו הן בעלות קיבולת נומינלית של 8.5 אמפר שעות (Ah) כשמתפרקות בקצב של 3‎ mA למתח סופי של 2‎ V, מתח נקוב של 3.6‎ V, דרוג זרם רציף מקסימלי של ‎230 mA, דרוג זרם פולס מקסימלי של ‎400 mA ותחום טמפרטורות עבודה של 55- עד 85‎°C+. סוללות אלו יכולות לעבוד 20 עד 30 שנים, כמו המונה, ללא צורך בהחלפת סוללה יקרה.

איור 7‏: סוללות LiSOCl2 כמו ה-TL-5920/T יכולות לעבוד עד 30 שנים ומתאימות היטב עבור יישומי מונה חכם. (מקור תמונה: DigiKey)

שיפור דיוק

טכניקות קיזוז, כיול ותאום עכבות יכולות לשמש כדי לשפר את הדיוק של מדי מים ToF אולטרה-סוניים:

• דיוק מדידות במוני ToF אולטרה-סוניים מוגבל על ידי מידת היות מהירות הקול קבועה, כמו גם הדיוק של האלקטרוניקה לעיבוד אותות. מהירות הקול יכולה להשתנות עם צפיפות וטמפרטורה. יש להוסיף קיזוז כדי לכייל ולכוונן עבור שינויים במהירות הקול וכל שינוי במעגל עיבוד האותות.

• מדי ToF אולטרה-סוניים בדרך כלל מכוילים יבשים במפעל. פרמטרים של כיול יכולים לכלול את השהיות הזמן בשל מתמרים, אלקטרוניקה וכבלים, כל תיקון היסט-ΔToF דרוש עבור כל מסלול אקוסטי, ופרמטרים גיאומטריים תלויי-תכנון. כיול מפעל יכול לשפר דיוק בתנאי זרם-חלש והעדר זרם ואל לו להשפיע על דיוק תחת תנאי קצב זרימה גבוה.

• זוג סימטרי במידה רבה של מסלולי אותות שידור‏ וקליטה דרוש כדי להקטין למינימום או למנוע היסט-ΔToF תחת תנאי זרימה סטטיים. ניתן להשתמש בפתרון תיאום עכבות כדי לבקר את העכבות של כל מסלול. זה מפשט כיול ΔToF וגורם לסחיפה קטנה מאוד של השגיאה בזרימה אפס בתחומי העבודה של לחצים וטמפרטורות,‏ אפילו אם המתמרים אינם מותאמים באופן מושלם.

סיכום

מדי מים חכמים ToF אולטרה-סוניים צוברים נתח שוק ביישומים תעשייתיים, מסחריים ובתי מגורים כדי לסייע לזהות ולאתר נזילות במערכות חלוקת מים ולספק למשתמשים את המידע הדרוש לשפר שימור מים. מתמרים (Transducers) פייזואלקטריים משמשים לחולל שתי סדרות של פולסים אולטרה-סוניים הנשלחות בכיוונים הפוכים במים הזורמים. הפרש ה-ToF בין הפולסים במורד-הזרם ובמעלה-הזרם משמש למדידת קצב הזרימה של המים ויכול לתמוך במדידות זרימה דו-כיווניות. למדים אלה אין חלקים נעים, דבר ההופך אותם אמינים ויעילים אנרגטית במידה רבה. ה-OIML קבע תקנים בינלאומיים לסיווג רמות MPE של מדי מים. טכניקות קיזוז, כיול ותאום עכבות יכולות לשמש לשיפור הדיוק של מדים אלה.