統計は憂慮すべきものです。米国だけでも、家庭の漏水は毎年約9000億ガロンの水を浪費しています。その数を概観すると、それは年間約1,100万世帯に供給するのに十分な水です。そして、ヨーロッパからアジアまで、他の国々も同様の課題に直面しています。この問題を悪化させるのは、予想される水不足です。
しかし、助けはここにあります。超音波技術により、スマートビルやスマートシティに設置された水道メーターは、数秒ごとに1滴という小さな漏れを検出して特定することができます。オースティンからアントワープまでの都市では、ハイテクスマート水道メーターを設置しており、老朽化したパイプや壊れた水道本管のインフラストラクチャのリークを特定するのに役立つと同時に、リークを見つけて節水するために必要な情報を顧客に提供しています。
「今日私たちが持っている水は、私たちが今までに持っている唯一の水です」と、ダラス市水道公社の水保全マネージャーであるホリー・ホルト・トレスは言います。「私たちはそれを保存する必要があります。テクノロジーによって、ますます高いレベルでそれを実現できるようになります。」
しかし、この超音波技術には、水道メーターを超えた用途があります。同じ技術を、天然ガスの流れを測定し、パイプを流れるガスの混合物を検出するメーターでも使用できます。それは、医療専門家が外科用機器の酸素供給を調整するのを助けることさえできます。
流れに乗って
もちろん、超音波は新しいものではありません。たとえば、コウモリは超音波距離計を使用して障害物を避け、夜間に昆虫を捕まえます。また、よりハイテクなアプリケーションでは、材料の識別、自動車の衝突回避、産業用および医療用の画像処理に使用されます。
現在、水道メーターやその他の流量計で使用されています。メーターは伝統的に、磁気要素を使用してパルスを生成する回転スピンドルまたはギアを備えた電気機械システムに依存してきました。しかし、サーモスタット、モーター、その他の多くの日常的なデバイスの場合と同様に、流量計の電気機械システムは急速に電子システムに移行しています。
これらのシステムでは、1対の没入型超音波トランスデューサーが流体内の音波の速度を測定します。音波の伝播速度は、パイプを流れる流体の粘度、流量、方向の関数です。超音波は、通過する媒体の剛性に応じてさまざまな速度で移動します。
測定の精度は、トランスデューサの品質、高精度のアナログ回路、および信号処理アルゴリズムに依存します。音響または超音波トランスデューサーは、数百キロヘルツの比較的高い周波数で電気信号を機械的振動に変換する圧電材料です。通常、流量を正確に測定するには、1〜2MHzの範囲の超音波トランスデューサのペアを適切に適合させて校正する必要があります。それらは流量計のコストのかなりの部分を占めています。センサーシステムは、15〜20年のバッテリー寿命を確保するために、非常に低い電力で動作する必要があります。
当社の高度な流量計測チップであるMSP430FR6043には、独自のアナログフロントエンドとアルゴリズムが含まれており、全体的なコストと消費電力を削減しながら、精度を大幅に向上させます。当社の流量計測アーキテクチャは、高性能のアナログ設計、高度なアルゴリズム、および組み込み処理を活用して、高価な超音波トランスデューサのペアの必要性を軽減します。アナログフロントエンドおよび信号処理アルゴリズムは、トランスデューサーの不一致を補正します。
すべてのドロップをカウントする
一般的な超音波流量計は、超音波を送信し、受信機で遅延差を測定して、流量を推定します。遅延測定は通常、受信波形のゼロ交差を監視するタイムデジタルコンバータ回路によって処理されます。一般的なアプローチの課題は、フローレベルを高精度で検出するのに十分な感度がないことです。
当社のアーキテクチャは、高性能アナログ-デジタルコンバータを備えたスマートアナログフロントエンドを導入して、信号対雑音比を改善し、キャリブレーションの不正確さを克服します。このアプローチにはいくつかの利点があります。
- 干渉を減らし、信号対雑音比を改善することにより、より高い精度を達成できます。
- このアーキテクチャは、消火ホースから小さな漏れまで、幅広いダイナミックレンジの流れを測定できます。
- 低電圧ドライバーを使用することで、電力とコストを大幅に節約できます。1秒あたり1回の測定の平均電流は3マイクロアンペア未満です。これは、15年以上のバッテリー寿命に相当します。
- 乱流、気泡、その他の流れの異常を検出できます。これは、流れの分析とパイプラインのサービスにとって重要です。
- この技術は、より高い流量の水とガスで発生する可能性のある、流れの2つの方向の振幅変動に対して堅牢です。
他の多くのTIテクノロジーは、高性能流量計にとって重要です。超音波アナログフロントエンドが統合された低電力マイクロコントローラー、高性能クロックリファレンス、低静止電流電力管理、送信ドライバーと受信アンプパスの超高精度インピーダンス整合は、これらの流量計の追加の差別化技術の例です。
これらのテクノロジーを組み合わせることで、私たちの最も貴重なリソースの1つを節約できます。