Các số liệu thống kê rất đáng báo động: Chỉ riêng tại Hoa Kỳ, các lỗ rò rỉ hộ gia đình đã thải ra khoảng 900 tỷ gallon nước mỗi năm. Để đặt con số đó trong viễn cảnh, đó là lượng nước đủ để cung cấp cho khoảng 11 triệu ngôi nhà hàng năm. Và các quốc gia khác - từ châu Âu đến châu Á - cũng đối mặt với những thách thức tương tự. Cùng với vấn đề này là tình trạng thiếu nước dự kiến.
Nhưng sự giúp đỡ là ở đây. Công nghệ siêu âm cung cấp cho đồng hồ nước được lắp đặt trong các tòa nhà thông minh và thành phố thông minh khả năng phát hiện và khoanh vùng các điểm rò rỉ nhỏ như một giọt cứ sau vài giây. Các thành phố từ Austin đến Antwerp đang lắp đặt đồng hồ nước thông minh công nghệ cao cung cấp cho khách hàng thông tin họ cần để tìm rò rỉ và tiết kiệm nước đồng thời giúp các cơ sở hạ tầng xác định rò rỉ cơ sở hạ tầng trong các đường ống cũ và nguồn nước bị hỏng.
Holly Holt-Torres, quản lý bảo tồn nước của City of Dallas Water Utilities, cho biết: “Nước chúng ta có ngày nay là nước duy nhất mà chúng ta sẽ có. “Chúng ta phải bảo tồn nó. Công nghệ sẽ cho phép chúng tôi làm điều đó ở cấp độ ngày càng cao hơn ”.
Nhưng công nghệ siêu âm này có những ứng dụng mở rộng ra ngoài đồng hồ nước. Công nghệ tương tự có thể được sử dụng trong các đồng hồ đo lưu lượng khí tự nhiên và thậm chí phát hiện hỗn hợp khí chảy qua đường ống. Nó thậm chí có thể giúp các chuyên gia y tế điều chỉnh việc cung cấp oxy trong thiết bị phẫu thuật.
Trôi theo dòng chảy
Sóng siêu âm, tất nhiên, không phải là mới. Ví dụ, loài dơi sử dụng sóng siêu âm để tránh chướng ngại vật và bắt côn trùng vào ban đêm. Và trong các ứng dụng công nghệ cao hơn, nó được sử dụng để phân biệt vật liệu, tránh va chạm trong ô tô, hình ảnh công nghiệp và y tế.
Bây giờ nó được sử dụng trong đồng hồ đo nước và các đồng hồ đo lưu lượng khác. Đồng hồ đo truyền thống dựa vào hệ thống cơ điện với trục quay hoặc bánh răng sử dụng phần tử từ tính để tạo ra xung. Nhưng - như trường hợp của bộ điều nhiệt, động cơ và rất nhiều thiết bị hàng ngày khác - hệ thống cơ điện trong đồng hồ đo lưu lượng đang nhanh chóng chuyển sang hệ thống điện tử.
Trong các hệ thống này, một cặp đầu dò siêu âm chìm đo vận tốc của sóng âm trong chất lỏng. Vận tốc truyền sóng âm là một hàm của độ nhớt, tốc độ dòng chảy và hướng của chất lỏng chảy qua ống. Sóng siêu âm truyền đi với các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào độ cứng của phương tiện mà chúng truyền qua.
Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào chất lượng của đầu dò, mạch tương tự chính xác và các thuật toán xử lý tín hiệu. Bộ chuyển đổi âm thanh hoặc siêu âm là vật liệu piezo chuyển đổi tín hiệu điện thành dao động cơ học ở tần số tương đối cao hàng trăm kilohertz. Thông thường, một cặp đầu dò siêu âm trong dải tần 1-2 MHz phải được kết hợp tốt và hiệu chỉnh để đo lưu lượng chính xác. Chúng chiếm một phần đáng kể trong chi phí của đồng hồ đo lưu lượng. Hệ thống cảm biến phải hoạt động ở công suất rất thấp để đảm bảo tuổi thọ của pin từ 15-20 năm.
Chip đo lưu lượng tiên tiến của công ty chúng tôi, MSP430FR6043, bao gồm giao diện người dùng và thuật toán tương tự độc đáo, giúp cải thiện đáng kể độ chính xác trong khi giảm chi phí tổng thể và tiêu thụ điện năng. Kiến trúc đo lưu lượng của chúng tôi tận dụng thiết kế tương tự hiệu suất cao, thuật toán nâng cao và xử lý nhúng để giảm thiểu nhu cầu về một cặp đầu dò siêu âm đắt tiền. Các thuật toán xử lý tín hiệu và đầu cuối tương tự bù đắp cho sự không khớp của đầu dò.
Làm cho từng giọt được đếm
Một đồng hồ đo lưu lượng siêu âm điển hình truyền một sóng siêu âm và đo độ trễ vi sai ở bộ thu để ước tính tốc độ của dòng chảy. Các phép đo độ trễ thường được xử lý bởi một mạch chuyển đổi thời gian sang kỹ thuật số giám sát sự giao nhau 0 của dạng sóng nhận được. Thách thức đối với phương pháp tiếp cận thông thường là nó không đủ nhạy để phát hiện mức dòng chảy với độ chính xác cao.
Kiến trúc của chúng tôi triển khai giao diện người dùng tương tự thông minh có bộ chuyển đổi tín hiệu sang kỹ thuật số hiệu suất cao để cải thiện chất lượng tín hiệu thành nhiễu và khắc phục sự thiếu chính xác trong hiệu chuẩn. Cách tiếp cận này có một số lợi ích:
- Nó có thể đạt được độ chính xác cao hơn bằng cách giảm nhiễu và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.
- Kiến trúc có thể đo một loạt các dòng chảy động, từ vòi chữa cháy đến một chỗ rò rỉ nhỏ.
- Bằng cách sử dụng trình điều khiển điện áp thấp hơn, nó tiết kiệm đáng kể điện năng và chi phí. Dòng điện trung bình cho một phép đo mỗi giây nhỏ hơn 3 micromps. Điều này có nghĩa là thời lượng pin hơn 15 năm.
- Nó có thể phát hiện sự hỗn loạn, bong bóng và các dị thường khác của dòng chảy, điều này rất quan trọng đối với việc phân tích dòng chảy và bảo dưỡng đường ống.
- Công nghệ này mạnh mẽ đối với sự thay đổi biên độ theo hai hướng của dòng chảy, có thể xảy ra trong nước và khí ở tốc độ dòng chảy cao hơn.
Nhiều công nghệ TI khác rất quan trọng đối với đồng hồ đo lưu lượng hiệu suất cao. Bộ vi điều khiển công suất thấp với giao diện tương tự siêu âm tích hợp, tham chiếu đồng hồ hiệu suất cao, quản lý công suất dòng điện tĩnh thấp và kết hợp trở kháng siêu chính xác của trình điều khiển phát và đường dẫn bộ khuếch đại nhận là những ví dụ về công nghệ khác biệt bổ sung trong các đồng hồ đo lưu lượng này.
Cùng với nhau, những công nghệ này có thể giúp bảo tồn một trong những tài nguyên quý giá nhất của chúng ta.